java多线程之CAS学习

经过了前面几次女友对我的基础面试，对于java多线程这块的基础就暂时告一段落了，下面就开始进行稍微进阶一点的知识点了。

好了废话不多说，我们开干。

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通过本篇文章我希望我能讲清楚：

1. 什么是CAS
2. CAS的一些实现类
3. CAS的实现原理
4. CAS的一些问题

什么CAS

cas 全称是 compareAndSet 就是比较并设置的意思。

他是一种乐观锁，也可以叫做自旋锁。就是通过号称不加锁的方式保证线程间的安全性的一种方式。与他相反的是synchronized，Synchronized关键字就是悲观锁，什么都不说上来就是一把锁。但是性能就会稍差。但是在某一些场合下，CAS的性能并不会很好，这个稍后再说。

CAS的一些实现类

说到CAS,其实最经典的莫过于atomic开头的类。这些类是jdk1.5之后专门提供的一些类，全部使用cas这种操作来保证线程间的可见性，我们简单的来看一下AtomicInteger这个类的用法。

public class CasTest {

    public static void main(String[] args) {
        AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(1);//创建一个线程安全的integer

        for (int i=0;i<5;i++) {
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    atomicInteger.addAndGet(1);//增加后再取出来看看
                }
            }).start();
        }
        try {
            Thread.sleep(1000);//睡眠一下让上面的线程执行完
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(atomicInteger.get());//打印出最终的结果
    }
}

其实不止atomic***类使用到了cas，AbstractQueuedSynchronizer这个juc下的老大哥内部也是用到了cas，大家感性可以看一下

image-20200523213758186.png

cas实现原理

cas整个的实现涉及到单个参数：

1、内存值：内存中真是的值

2、期望值：你期望内存中的值

3、修改值：将要修改后的值

他的原理很简单：就是先比较内存中的值是否等于期望值，如果相等那么就将内存中的值改成修改值，如果不等，我会拿到新的值继续进行比较，然后进行修改或者做其他处理。

可以写一个伪代码看一下

public void cas(v,e,d){
  while ("循环次数" > 0) {
    if (v == e) {
      //将值进行修改
    }
  }
}

可能很多人会和我一样都会再想，这个怎么保证线程安全呢？为什么不会再我判断成功后修改成功之前值被改掉了呢？这个是不会的，因为cas底层使用到的是unsafe类，他是被cpu原语支持的，才整体的比较和赋值过程之个是原子的，不会被打断。我们可以简单的看一下unsafe类（基于jdk1.8来说的，好像高版本变动比较大）。

这个类是在sun.misc包下面的，他是一个单例类，而且由于calssloader的原因我们只能通过反射才能使用，否则都会抛出异常。

我们可以简单的跟一下atomicInteger.addAndGet()方法，进去之后可以看到unsafe内的实现如下：

public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
        int var5;
        do {
            var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
        } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));

        return var5;
    }

使用的是compareAndSwapInt进行处理，public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);这个方法是一个native方法。这个方法的内部是汇编实现的，所以主要是由cpu层级保证了原子性

cas的一些问题

1. ABA问题

这个问题很容易理解，就是说我在比较的过程中，有其他的线程将他的值变成了另外的值之后又给变回了原来的值。这样就是ABA问题。

其实对于这个问题来说分两种情况来看待：如果操作的是基础类型的值，这个问题是不会影响到正常的计算的，如果这个操作是引用类型，那么可能是会影响到接下来的一些逻辑操作，毕竟你和你的前女友复合，你不知道他中间经历了多少个男人。哈哈

针对ABA问题，也很好解决，只需要加上一个版本号的概念就行，比如使用时间戳，每次比较值的时候还需要比较一下版本号是否一致。jdk包里面也提供了一个类：AtomicStampedReference用来解决这个问题的。

2. 性能消耗问题

相信你们已经知道了，cas其实是一把自旋锁，那么当循环时间长的时候，他就不停在在那里自旋，会很影响CPU的性能的，并且为了自旋结束时避免内存顺序冲突，CPU会对流水线进行重排，这样也会严重影响cpu性能。

针对这个问题，我们编程没有什么好的解决方法，只有好好的选择业务场景进行使用。其实cpu层面也是有解决方案的：pause指令，这个感兴趣的可以自己查一下资料

总结

cas可以无锁化的保证原子操作，但是呢，也需要选择好应用场景。像一些基础类型的共享变量的操作和操作时间不是很长的场景下可以考虑使用，否则可能会出现ABA问题或者导致性能下降