当我谈CAS时，我谈些什么

当你学Java的并发包JUC时，不可避免，会经常遇见乐观锁、自旋锁、CAS等字眼，实际上它们都是对同一个技术不同层面的一些描述。volatile变量的读写和CAS可以实现线程之间的通信，这是JUC包得以实现的基石，我们必须得对CAS有所了解。

什么是CAS

对于并发控制而言，锁是一种悲观的策略，它总是假设每一次的临界区操作会产生冲突，产生冲突的线程会被挂起等待；无锁则是一种乐观的策略，它假设对临界区的操作是没有冲突的，线程不需要被挂起，但当遇到冲突时，可以使用CAS技术来解决，从而可以避免加锁，从而减少上下文的切换。

CAS，全称是Compare And Swap，其核心思想是：它包含三个参数CAS(V, E, N)，V表示需要被更新的变量，E表示期望V应该有的值，N表示V的新值。当且仅当V值等于E值时，才会将V值设为N值，若V值和E值不同，说明有其它线程对V做了更新，则当前线程什么都不做。当多个线程同时使用CAS操作一个变量时，只有一个会胜出并成功更新，其余均会失败。失败的线程不会被挂起，仅是被告知失败，并且允许再次尝试。

CAS在Java中的实现

目前，在硬件层面已支持原子化的CAS指令（例如x86指令集的cmpxchg指令），即将比较和交换这两个操作封装为一个原子指令。

在JDK 5之后，Java类库中才开始使用CAS操作，该操作由sun.misc.Unsafe类里面的compareAndSwapInt()和compareAndSwapLong()等几个方法包装提供。HotSpot虚拟机在内部对这些方法做了特殊处理，即时编译出来的结果就是一条平台相关的处理器CAS指令，没有方法调用的过程，或者可以认为是无条件内联进去。

不过，需要注意的是，用户并不能直接使用Unsafe类，Unsafe::getUnsafe()的代码中限制了只有启动类加载器（BootstrapClassLoader）加载的Class才能访问它，因此只有Java类库可是使用Unsafe的CAS操作，用户如果有使用CAS的需求，只能通过Java类库的API来间接使用它。

CAS的缺点

CAS存在三大问题：循环时间长开销大，只能保证一个共享变量的原子操作，以及ABA问题。

• 循环时间开销大

JUC包中对CAS的使用基本是基于自旋的方式，即当预期值和主内存中的值不等时，就重新获取主内存中的值，再次尝试CAS，直到成功为止，这就是自旋，例如下面Unsafe类的getAndAddInt操作：

    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;
    }

正因为是通过自旋实现，如果长时间不成功，会给CPU带来很大的开销。

• 只能保证一个共享变量的原子操作。当对多个变量进行操作时，就无法保证原子性，必须要用锁。当然，可以用取巧的方法，把多个变量封装到一个类中，然后用AtomicReference来保证引用对象之间的原子性。
• ABA问题。因为CAS需要在操作值的时候，检查值有没有发生变化，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。

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每日学习笔记，写于2020-04-30 星期四