【JavaEE】CAS(Compare And Swap)操作

什么是 CAS

CAS（Compare and Swap）是一种原子操作，用于在无锁情况下保证数据一致性的问题。它包含三个操作数——内存位置、预期原值及更新值。在执行CAS操作时，会将内存位置的值与预期原值进行比较。如果两者相等，则处理器会自动将该位置的值更新为新值；如果不相等，则处理器不做任何操作。这个过程是原子的，即在整个操作期间，不会被其他线程或进程中断。

在多线程并发编程中，CAS操作可以避免传统的锁机制引起的线程阻塞和上下文切换等问题，提高程序的并发性能。

CAS伪代码

boolean CAS(address, expectValue, swapValue) {
	//如果内存address中的值和expectValue相等话，
	//就将swapValue的值赋给adress，并且返回true
	if (&address == expectValue) {
		&address = swapValue;
		return true;
	}
	return false;
}

CAS 是一个 CPU 指令，具有原子性，而具有原子性的操作就代表着不需要加锁就可以保证线程的安全，所以 CAS 操作就可以替代某些加锁的操作。

CAS 本质上是 CPU 提供的指令，然后被操作系统封装形成 API 后，又被 JVM 或者其它封装成为 API 之后，我们程序员才可以直接使用 CAS 的相关操作。

CAS 的应用

CAS 经过 CPU 和 JVM 封装之后，我们在 Java 代码中就可以直接使用 CAS 操作，那么我们来看看在 Java 中如何使用 CAS 操作。

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.

我们可以根据需要创建出合适的类，如果你要进行 CAS 的数据类型为 int 类型的话，就创建 AtomicInteger 类，如果是 boolean 类型的话，就创建出 AtomicBoolean 类型。

AtomicInteger 类中有很多方法，但是我们今天主要了解 getAndDecrement 方法和 getAndIncrement 方法，它们分别表示–和++操作。

public class Test {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for(int i = 0; i < 1000; i++) {
                atomicInteger.getAndIncrement();
            }
        });

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for(int i = 0; i < 1000; i++) {
                atomicInteger.getAndIncrement();
            }
        });

        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println(atomicInteger.get());  //2000
    }
}

public class Test {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(10000);
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for(int i = 0; i < 1000; i++) {
                atomicInteger.getAndDecrement();
            }
        });

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for(int i = 0; i < 1000; i++) {
                atomicInteger.getAndDecrement();
            }
        });

        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println(atomicInteger.get());  //8000
    }
}

++或者–的操作不具有原子性，如果在多线程中进行++或者–操作的时候往往会发生线程不安全问题，导致最终的结果不是我们想要的结果，而这里我们使用 CAS 操作的话就保证了++和–操作的原子性，并且也避免了加锁阻塞的现象，既保证了答案的正确性，又保证了运行速度。

查看 getAndIncrement 方法我们可以看到这个方法里面又调用了 getAndAddInt 方法，但是这个方法是属于 unsafe 的，unsafe 中的方法都是偏底层且操作较危险的操作。

可以看到 getAndAddInt 方法中是没有加锁操作的。

compareAndSwapInt 方法是 native 修饰的本地方法，这个方法是 JVM 底层由 C/C++ 写的，我们是看不到的。

这里 getAndIncremnet 方法还是用伪代码来实现一遍。

class AtomicInteger {
	private int value;
	
	public int getAndIncrement() {
	//这里现在寄存器当中存储value的值
		int oldValue = value;
		//比较内存中的value值是否和寄存器当中的oldValue相同
		//如果相同，则说明该过程中value的值没有被修改，然后将后面的修改值赋给value
		//如果不相同，说明在这个过程中value的值被修改了，那么更新oldValue的值
		while (CAS(value, oldValue, oldValue + 1) != true)
			oldValue = value;
		}
		return oldValue;
	}
}

如何使用 CAS 操作实现自旋锁

前面【JavaEE】锁策略中为大家讲解了什么是自旋锁，自旋锁就是当线程想要获取到锁，但是这个锁正别其他线程使用的时候，一般请情况下线程会进入阻塞等待状态，但是自旋锁不是，它不释放 CPU 资源，反复确认这个锁是否被释放，使得整个操作一直处于用户态操作，减少了内核态操作而增加一些其他操作。接下来，我们就来使用 CAS 操作来实现自旋锁。

public class SpinLock {
	//owner表示当前锁是被哪个线程所拥有，当owner为null的时候表示该所可以被获取
    private Thread owner = null;

	//while判断当前owner时候为null，如果是，则获取到整个锁，修改owner为当前线程
	//如果owner不为null，则表示锁被其他线程使用，那么就会返回false，while里面的
	//判断就为true，进入死循环，直到其他线程使用unlock方法释放锁
    public void lock() {
        while (!CAS(this.owner, null, Thread.currentThread())) {
            
        }
    }
    
    public void unlock() {
        this.owner = null;
    }
}

通过 CAS 操作就解决了当多个线程竞争一个锁的时候，线程进入阻塞等待状态由用户态操作转为内核态的情况，保证了程序处于用户态的操作状态。

CAS 的 ABA 问题

CAS 操作是判断内存中的数据是否和寄存器中的值相等，那么是否会发生一种情况就是：在这个过程中内存中的数据由 A -> B -> A，也就是说内存中的数据被修改了一次，但是最后又被改回来了的情况呢？当然是可能的，那么如果发生这种情况的时候是否会出现问题呢？

使用 CAS 操作的时候，如果发生 ABA 的问题时，一般不会出现问题，但是有些特殊的情况会造成问题。比如：我现在是大学生，每个月我的父母就会向我的银行卡里面打钱，我呢手机绑定了银行卡，就需要从银行卡中将这些钱充值到微信或者支付宝上，我打算充值1000块，但是当我点击充值按钮的时候，因为网卡，我点了一次没反应，所以我又点了一次，当网络好了的时候，它后台就显示我点击了两次，但是实际上我只想充值一次，那么微信或者支付宝的后台就会有两个线程执行 CAS 操作。

但是如果在这个时候，我的父母又给我银行卡里面打了1000块钱的时候会发生什么呢？

那么如何解决 CAS 的 ABA 问题呢？造成 ABA 的问题就是变量既有增加也有减少，如果我们使用的变量是只增或者只减的话，那么就不会发生这种 ABA 问题。我们可以引入一个额外的变量：版本号，换个版本号是只增的，修改一次余额就增加版本号一次，当执行 CAS 操作的时候会判断内存中的版本号和寄存器当中的版本号是否相同，相同则可以执行，不相同就说明中间穿插了其他的修改操作，不执行修改操作。

public class Test2 {
    private int value;
	//number表示版本号
    private int number = 0;

    public void add(int money) {
        int oldNumber = number;
        //进行一次修改操作之后版本号就加1
        if (CAS(number, oldNumber, oldNumber + 1)) {
            value += money;
        }
    }
}

CAS 相关面试题

1) 讲解下你自己理解的 CAS 机制

全称 Compare and swap, 即 “比较并交换”. 相当于通过一个原子的操作, 同时完成 “读取内存, 比较是否相等, 修改内存” 这三个步骤. 本质上需要 CPU 指令的支撑

2) ABA问题怎么解决？

给要修改的数据引入版本号. 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.如果发现当前版本号和之前读到的版本号一致, 就真正执行修改操作, 并让版本号自增; 如果发现当前版本号比之前读到的版本号大, 就认为操作失败