多线程的CAS操作

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前言

CAS（Compare-and-Swap）是一种原子操作，用于实现多线程同步。在并发编程中，CAS操作通常被用于解决多个线程同时修改同一个变量的问题，保证数据的一致性。

我们假设内存中的原数据V，旧的预期值A，需要修改的新值B。

1. 比较 A 与 V 是否相等。（比较）
2. 如果比较相等，将 B 写入 V。（交换）
3. 返回操作是否成功。

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一.CSA是怎么实现的

下列描述了,CAS的伪代码,列出了具体的操作流程

CAS相当于是打开了新世界的大门,让咱们不加锁,就能够保证线程安全

二.CSA的具体应用

2.1实现原子类

先来看看这个原子类的伪代码构成

标准库中提供了 java.util.concurrent.atomic 包, 里面的类都是基于这种方式来实现的.
典型的就是 AtomicInteger 类. 其中的 getAndIncrement 相当于 i++ 操作.
我们接下来的操作就是针对不加锁的情况,去使用原子类,来完成俩个线程对同一个数据的++操作:
代码如下:

public class ThreadDemo30 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        AtomicInteger num=new AtomicInteger(0);
        Thread t1=new Thread(()->{
            for (int i=0;i<50000;i++){
                // num++
                num.getAndIncrement();
                // ++num
//                num.incrementAndGet();
//                num.decrementAndGet();
//                num.getAndDecrement();
            }
        });
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 50000; i++) {
                num.getAndIncrement();
            }
        });
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println(num.get());
    }
}

我们来说明为什么不用加锁就可以实现这个俩个线程修改一个变量,是线程安全的.
第一步:

第二步:

第三步:

之前线程不安全,是因为t2在自增的时候,先读,后自增.
此时在自增之前, t1线程已经自增过了,t2在0的基础上自增的，就出现问题了.使用CAS之后, t2会在自增之前,先检查下寄存器的值和内存的值是否一致!!

2.2 实现自旋锁

基于 CAS 实现更灵活的锁, 获取到更多的控制权.

看一个生活场景

三.CSA的aba问题

说明:
CAS (Compare and Swap) 操作是一种常见的同步原语，它用于在多线程环境中实现原子操作。CAS操作通过比较内存中某个位置的值与给定的旧值，如果相等，则将该位置的值替换为新值。因为CAS操作是原子性的，所以在多线程环境中可以避免竞态条件的出现。

ABA问题是指在CAS操作中，当某个线程试图将某个位置的值从A改为B，再从B改回A时，如果此时另一个线程执行了类似操作，使得该位置的值从A改为C，再从C改回A，那么第一个线程的CAS操作会成功，但实际上该位置的值已经被改变过了，从而可能导致程序出现问题。

看一下具体的例子:

出现了ABA问题,我们再来继续看一个具体实际的例子

假设 滑稽老哥 有 100 存款. 滑稽想从 ATM 取 50 块钱. 取款机创建了两个线程, 并发的来执行 -50
操作.
我们期望一个线程执行 -50 成功, 另一个线程 -50 失败.
如果使用 CAS 的方式来完成这个扣款过程就可能出现问题.
正常的过程
存款 100. 线程1 获取到当前存款值为 100, 期望更新为 50; 线程2 获取到当前存款值为 100, 期
望更新为 50.
线程1 执行扣款成功, 存款被改成 50. 线程2 阻塞等待中.
轮到线程2 执行了, 发现当前存款为 50, 和之前读到的 100 不相同, 执行失败.

异常的过程
存款 100. 线程1 获取到当前存款值为 100, 期望更新为 50; 线程2 获取到当前存款值为 100, 期
望更新为 50.
线程1 执行扣款成功, 存款被改成 50. 线程2 阻塞等待中.
在线程2 执行之前, 滑稽的朋友正好给滑稽转账 50, 账户余额变成 100 !!
轮到线程2 执行了, 发现当前存款为 100, 和之前读到的 100 相同, 再次执行扣款操作
这个时候, 扣款操作被执行了两次!!! 都是 ABA 问题搞的鬼!!
解决方法:
给要修改的值, 引入版本号. 在 CAS 比较数据当前值和旧值的同时, 也要比较版本号是否符合预期.
CAS 操作在读取旧值的同时, 也要读取版本号.
真正修改的时候,
如果当前版本号和读到的版本号相同, 则修改数据, 并把版本号 + 1.
如果当前版本号高于读到的版本号. 就操作失败(认为数据已经被修改过了).