java并发之CAS

一、CAS简介

1.1 CAS是什么

CAS操作包含三个操作数 —— 内存位置（V）、预期原值（A）和新值(B)。 如果内存位置的值与预期原值相匹配，那么处理器会自动将该位置值更新为新值 。否则，处理器不做任何操作。无论哪种情况，它都会在 CAS 指令之前返回该 位置的值。（在 CAS 的一些特殊情况下将仅返回 CAS 是否成功，而不提取当前 值。）CAS 有效地说明了“我认为位置 V 应该包含值 A；如果包含该值，则将 B 放到这个位置；否则，不要更改该位置，只告诉我这个位置现在的值即可。

1.2 CAS的目的

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。而整个J.U.C都是建立在CAS之上的，因此对于synchronized阻塞算法，J.U.C在性能上有了很大的提升。

1.3 CAS存在的问题

（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。

（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。

1.4 concurrent包的实现

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。

1.5参考文献

博客：乐观锁和悲观锁

https://www.cnblogs.com/qjjazry/p/6581568.html

二、CAS的原理-----乐观锁

2.1乐观锁是什么

乐观锁：顾名思义，就是很乐观，每次去拿数据的时候都认为别人不会修改，所以不会上锁，但是在更新的时候会判断一下在此期间别人有没有去更新这个数据，可以使用版本号等机制。乐观锁适用于多读的应用类型，这样可以提高吞吐量，像数据库提供的类似于write_condition机制，其实都是提供的乐观锁。在Java中java.util.concurrent.atomic包下面的原子变量类就是使用了乐观锁的一种实现方式CAS实现的。

2.2悲观锁是什么

悲观锁（Pessimistic Lock），正如其名，具有强烈的独占和排他特性。它指的是对数据被外界（包括本系统当前的其他事务，以及来自外部系统的事务处理）修改持保守态度，因此，在整个数据处理过程中，将数据处于锁定状态。悲观锁的实现，往往依靠数据库提供的锁机制（也只有数据库层提供的锁机制才能真正保证数据访问的排他性，否则，即使在本系统中实现了加锁机制，也无法保证外部系统不会修改数据）。

2.3乐观锁如何保证原子性

（1）,CAS方式:Java非公开API类Unsafe实现的CAS(比较-交换),由C++编写的调用硬件操作内存,保证这个操作的原子性,concurrent包下很多乐观锁实现使用到这个类,但这个类不作为公开API使用,随时可能会被更改.我在本地测试了一下,确实不能够直接调用,源码中Unsafe是私有构造函数,只能通过getUnsafe方法获取单例,首先去掉eclipse的检查(非API的调用限制)限制以后,执行发现报 java.lang.SecurityException异常,源码中getUnsafe方法中执行访问检查,看来java不允许应用程序获取Unsafe类. 值得一提的是反射是可以得到这个类对象的.

（2）加锁方式:利用Java提供的现有API来实现最后数据同步的原子性(用悲观锁).看似乐观锁最后还是用了悲观锁来保证安全,效率没有提高.实际上针对于大多数只执行不同步数据的情况,效率比悲观加锁整个方法要高.特别注意:针对一个对象的数据同步,悲观锁对这个对象加锁和乐观锁效率差不多,如果是多个需要同步数据的对象,乐观锁就比较方便.