Java CAS

CAS:Compare and Swap, 翻译成比较并交换。 java.util.concurrent包中借助CAS实现了区别于synchronouse同步锁的一种乐观锁。 本文先从CAS的应用说起，再深入原理解析。

 CAS应用

 CAS有3个操作数，内存值V，旧的预期值A，要修改的新值B。

当且仅当预期值A和内存值V相同时，将内存值V修改为B，否则什么都不做。

 非阻塞算法 （nonblocking algorithms） 一个线程的失败或者挂起不应该影响其他线程的失败或挂起的算法。 现代的CPU提供了特殊的指令，可以自动更新共享数据，而且能够检测到其他线程的干扰，而 compareAndSet() 就用这些代替了锁定。 拿出AtomicInteger来研究在没有锁的情况下是如何做到数据正确性的。

private volatile int value; 首先毫无疑问，在没有锁的机制下可能需要借助volatile原语，保证线程间的数据是可见的（共享的）。 这样才获取变量的值的时候才能直接读取。 public final int get() { return value; } 然后来看看++i是怎么做到的。

 public final int incrementAndGet() { for (;;) { int current = get(); int next = current + 1; if (compareAndSet(current, next)) return next; } }

在这里采用了CAS操作，每次从内存中读取数据然后将此数据和+1后的结果进行CAS操作，如果成功就返回结果，否则重试直到成功为止。 而compareAndSet利用JNI来完成CPU指令的操作。

 public final boolean compareAndSet(int expect, int update) { return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update); }

整体的过程就是这样子的，利用CPU的CAS指令，同时借助JNI来完成Java的非阻塞算法。其它原子操作都是利用类似的特性完成的。

CAS自旋：

CAS(Compare And Swap)比较并转换 该算法涉及三个数：内存值V，旧的预期值A，新的预期值B。当且仅当旧的预期值A和内存值V相同时，将内存值改为B，否则什么也不做。

 如何来理解上面这一段话呢？我们先了解一下乐观锁和悲观锁各自的做事方式，首先，悲观锁的态度是一件事情我必须要能百分之百掌控才能去做，否则就认为这件事情一定会出问题，而乐观锁的态度就是不管什么事情，我都会先尝试去做，大不了最后不成功就是了。

 基于CAS的自旋就是典型的乐观锁，程序执行时，线程1从共享内存中取值V并建一个副本A，对A进行计算后将新的值保存为B，然后对A值和内存中的V值进行比较，如果A等于V，则认为内存中的V值没有被其他线程修改过，可以将新值B赋给内存，否则，认为内存中已被其他的线程修改，则重新执行计算操作和检测，直到旧的期望值A等于内存值V为止。 java并发包java.util.concurrent.*的核心就是CAS自旋原理。如AtomicInteger、AtomicLong等都是基于CAS实现的。

具体体现自增方法，初始化值为0， 场景有5000个线程同时对他自增操作getAndIncrement，得到的值为5000

CAS缺点 CAS虽然很高效的解决原子操作，但是CAS仍然存在三大问题。ABA问题，循环时间长开销大和只能保证一个共享变量的原子操作 1. ABA问题。因为CAS需要在操作值的时候检查下值有没有发生变化，如果没有发生变化则更新，但是如果一个值原来是A，变成了B，又变成了A，那么使用CAS进行检查时会发现它的值没有发生变化，但是实际上却变化了。ABA问题的解决思路就是使用版本号。在变量前面追加上版本号，每次变量更新的时候把版本号加一，那么A－B－A 就会变成1A-2B－3A。 从Java1.5开始JDK的atomic包里提供了一个类AtomicStampedReference来解决ABA问题。这个类的compareAndSet方法作用是首先检查当前引用是否等于预期引用，并且当前标志是否等于预期标志，如果全部相等，则以原子方式将该引用和该标志的值设置为给定的更新值。 关于ABA问题参考文档: http://blog.hesey.net/2011/09/resolve-aba-by-atomicstampedreference.html 2.循环时间长开销大。自旋CAS如果长时间不成功，会给CPU带来非常大的执行开销。如果JVM能支持处理器提供的pause指令那么效率会有一定的提升，pause指令有两个作用，第一它可以延迟流水线执行指令（de-pipeline）,使CPU不会消耗过多的执行资源，延迟的时间取决于具体实现的版本，在一些处理器上延迟时间是零。第二它可以避免在退出循环的时候因内存顺序冲突（memory order violation）而引起CPU流水线被清空（CPU pipeline flush），从而提高CPU的执行效率。 3.只能保证一个共享变量的原子操作。当对一个共享变量执行操作时，我们可以使用循环CAS的方式来保证原子操作，但是对多个共享变量操作时，循环CAS就无法保证操作的原子性，这个时候就可以用锁，或者有一个取巧的办法，就是把多个共享变量合并成一个共享变量来操作。比如有两个共享变量i＝2,j=a，合并一下ij=2a，然后用CAS来操作ij。从Java1.5开始JDK提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性，你可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作。 concurrent包的实现 由于java的CAS同时具有 volatile 读和volatile写的内存语义，因此Java线程之间的通信现在有了下面四种方式： 1.A线程写volatile变量，随后B线程读这个volatile变量。 2.A线程写volatile变量，随后B线程用CAS更新这个volatile变量。 3.A线程用CAS更新一个volatile变量，随后B线程用CAS更新这个volatile变量。 4.A线程用CAS更新一个volatile变量，随后B线程读这个volatile变量。 Java的CAS会使用现代处理器上提供的高效机器级别原子指令，这些原子指令以原子方式对内存执行读-改-写操作，这是在多处理器中实现同步的关键（从本质上来说，能够支持原子性读-改-写指令的计算机器，是顺序计算图灵机的异步等价机器，因此任何现代的多处理器都会去支持某种能对内存执行原子性读-改-写操作的原子指令）。同时，volatile变量的读/写和CAS可以实现线程之间的通信。把这些特性整合在一起，就形成了整个concurrent包得以实现的基石。如果我们仔细分析concurrent包的源代码实现，会发现一个通用化的实现模式： 1.首先，声明共享变量为volatile； 2.然后，使用CAS的原子条件更新来实现线程之间的同步； 3.同时，配合以volatile的读/写和CAS所具有的volatile读和写的内存语义来实现线程之间的通信。 AQS，非阻塞数据结构和原子变量类（java.util.concurrent.atomic包中的类），这些concurrent包中的基础类都是使用这种模式来实现的，而concurrent包中的高层类又是依赖于这些基础类来实现的。从整体来看，concurrent包的实现示意图如下：

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