java - CAS底层原理及与synchronized的对比

底层原理疑问

CAS是比较并交换，AtomicInteger最终都是调用Unsafe.compareAndSwapInt方法进行实现，那Unsafe.compareAndSwapInt为什么是原子性的呢？它是怎么实现的？它的同步也是依赖于互斥吗？他与synchronized锁的底层实现有什么不同吗? 这两种同步方式的场景选择？

解答

1. Unsafe.compareAndSwapInt为什么是原子性的?

他的原子性是由硬件指令实现的，底层硬件通过将 CAS 里的多个操作在硬件层面语义实现上，通过一条处理器指令保证了原子性操作。这些指令如下所示：
（1）测试并设置（Tetst-and-Set）
（2）获取并增加（Fetch-and-Increment）
（3）交换（Swap）
（4）比较并交换（Compare-and-Swap）
（5）加载链接/条件存储（Load-Linked/Store-Conditional）

前面三条大部分处理器已经实现，后面的两条是现代处理器当中新增加的。而且根据不同的体系结构，指令存在着明显差异。
在IA64，x86 指令集中有cmpxchg指令完成 CAS 功能，在 sparc-TSO 也有 casa 指令实现，而在 ARM 和 PowerPC 架构下，则需要使用一对 ldrex/strex 指令来完成 LL/SC 的功能。在精简指令集的体系架构中，则通常是靠一对儿指令，如：load and reserve 和 store conditional 实现的，在大多数处理器上 CAS 都是个非常轻量级的操作，这也是其优势所在。

2. 怎么实现的

它采用了缓存锁定
现在都是多核 CPU 处理器，每个 CPU 处理器内维护了一块字节的内存，每个内核内部维护着一块字节的缓存，当多线程并发读写时，就会出现缓存数据不一致的情况。
此时，处理器提供：

• 总线锁定
  当一个处理器要操作共享变量时，在 BUS 总线上发出一个 Lock 信号，其他处理就无法操作这个共享变量了。
  缺点很明显，总线锁定在阻塞其它处理器获取该共享变量的操作请求时，也可能会导致大量阻塞，从而增加系统的性能开销。

• 缓存锁定
  后来的处理器都提供了缓存锁定机制，也就说当某个处理器对缓存中的共享变量进行了操作，其他处理器会有个嗅探机制，将其他处理器的该共享变量的缓存失效，待其他线程读取时会重新从主内存中读取最新的数据，基于 MESI 缓存一致性协议来实现的。
  现代的处理器基本都支持和使用的缓存锁定机制。

3. 它的同步也是依赖于互斥吗？他与synchronized锁的底层实现有什么不同吗?

它与synchronized最大的不同就是，CAS采用的缓存锁定，在没有竞争的时候没有额外的操作，当有竞争了才会有通知缓存失效机制。而synchronized是采用悲观互斥锁，即使没有线程竞争也会加上monitorenter和monitorexit指令(不考虑jdk1.6之后的锁优化)，会有线程的阻塞行为，影响性能。

4. 场景选择

CAS - 竞争小的情况，竞争过多造成自旋过多，造成cpu空跑
synchronized - 竞争大的情况，竞争过小加悲观锁比较重

参考

1. 一文彻底搞懂CAS实现原理