Java并发编程——CAS(Compare And Swap)比较与交换

前言

在Java并发编程中，处理共享数据的相关问题是保证并发安全的前提，对于一个共享数据，我们常常有两种处理方式，一种是方法是将数据和读写数据的操作锁起来，另一种就是不锁。

对于前者，Java中用synchronized关键字等进行加锁处理，这里不再多说。本文的重点，就是处理无锁状态下共享数据的并发问题中的一种解决算法——CAS(Compare And Swap)比较与交换算法。

乐观锁、悲观锁

首先先了解一下乐观锁和悲观锁，这两种锁分别假设下列两种情况：

乐观锁：假定访问共享数据的线程操作不会修改共享数据，因此采用不加锁的方式。

悲观锁：假定访问贡献数据的线程操作一定会修改贡献数据，因此采用加锁的方式来保证数据的同步性。

根据定义，很显然的能发现两种数据的应用环境，悲观锁适用于写操作比较多的环境当中，而乐观锁则适用于读操作比较多的环境当中。

其中，乐观锁的一个实现算法就是使用CAS算法。

CAS算法

比较与交换，该算法常常涉及三个变量，为此我们得先讲一下Java内存模型中的一些概念。

在Java内存模型中，每个线程有一个属于自己的缓存区，而多个线程共享一个主内存，在并发环境中，多个线程从主内存中读取数据缓存到自己的缓存区，当执行写操作时再写入缓存区。

因此，CAS涉及的变量为：一个旧值（线程缓存区的值），一个主存值（主内存中的值），一个新值。

当一个线程执行该操作时，需要先将旧值和主存值比较，只有当二者相等时，才会执行新值的更新操作，并同时将新值写入主存，即也会更新主存值。

于是，当两个线程同时访问一个共享数据时，就会执行该操作，同时CAS操作时原子操作，由此而保证了贡献数据访问的安全。

基于乐观锁的机制，当一个线程执行CAS操作时，另一个线程会自旋等待，直到执行到CAS操作。

CAS操作的问题

• ABA问题
• 自旋带来的性能问题