java并发之CAS(Compare and swap)
1. 简介
CAS的底层调用native方法，最终是利用CPU的一个特殊指令，该指令由CPU保证了原子性，而且包含多个操作，比如先比较再更新。
原理：
- （1）需要读写的内存值（V）、原值（A）和新值(B)。如果V的值与原值A相匹配，那么把B设置给V，否则处理器不做任何操作。
- （2）无论哪种情况，都返回V内存值。
- （3）原子类里，当失败时，就一直循环，直到成功。
（1）、（2）是在CPU和内存的层面来说的，（3）是在Java层面说的
比如 AtomicInteger中的源码中，就使用到了 CAS：
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;
}
2. CAS的等价代码
自己实现CAS:
/**
* 模拟CAS操作，等价代码
*/
public class SimulatedCAS {
private int value;
/**
* 模拟CAS操作
* @param expectedValue 预期值
* @param newValue 修改值
* @return 原值
*/
public synchronized int compareAndSwap(int expectedValue, int newValue) {
int oldValue = value;
if (oldValue == expectedValue) {
value = newValue;
}
return oldValue;
}
}
在多线程中调用上面自己实现的CAS：
/**
* 两个线程竞争,其中一个修改落败
*/
public class TwoThreadCompetition implements Runnable{
private int value;
/**
* 模拟CAS操作
* @param expectedValue 预期值
* @param newValue 修改值
* @return 旧值
*/
public synchronized int compareAndSwap(int expectedValue, int newValue) {
int oldValue = value;
if (oldValue == expectedValue) {
value = newValue;
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"将值从"+oldValue+"修改成"+newValue);
}
return oldValue;
}
//主函数
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
TwoThreadCompetition r = new TwoThreadCompetition();
r.value=0;//默认值
Thread thread1 = new Thread(r,"线程1");
thread1.start();
thread1.join();
System.out.println(r.value);
Thread thread2 = new Thread(r,"线程2");
thread2.start();
thread2.join();
System.out.println(r.value);
}
@Override
public void run() {
compareAndSwap(0,1);
}
}
打印结果显示，只有第一个线程对 value 进行了修改，第二个线程没有修改，符合CAS的逻辑。
3. 应用场景
（1）乐观锁
乐观锁的实现就是利用CAS原理，比如数据库在修改时，是利用version字段来判断是否应该执行修改，而不是加锁。
（2）并发容器
如ConcurrentHashMap类中的put()方法…
（4）原子类
这里以 AtomicInteger 的 getAndIncrement()方法 为例剖析如何利用CAS实现原子性的
- AtomicInteger加载
Unsafe工具,用来直接操作内存数据 - 用Unsafe工具来实现底层操作
- 用volatile修饰value字段，保证可见性
上面使用到了 Unsafe 类，那么他是个什么呢？
- Unsafe是CAS的核心类。Java一般无法直接访问底层操作系统，而是通过本地(native)方法来访问。不过尽管如此，JVM还是开了一个后门，JDK中有一个类Unsafe，它提供了硬件级别的原子操作。
- valueOffset表示的是变量值在内存中的偏移地址，因为Unsafe就是根据内存偏移地址获取数据的原值的，这样我们就能通过unsafe来实现CAS了
总结：
总之，getAndIncrement() 的实现原理是：先获取 value 在内存中的地址，然后使用该地址拿到原值，再调用 compareAndSwapInt 方法，将内存地址value，原值，和新值传进去，执行 CAS 方法，compareAndSwapInt 是 native 方法，由c++实现，如下
上面的 C++ 代码可以看出：方法中先想办法拿到变量value在内存中的地址；通过Atomic::cmpxchg实现原子性的比较和替换，其中参数x是即将更新的值，参数e是原内存的值。至此，最终完成了CAS的全过程。
4 CAS的缺点
（1）ABA 问题
什么是ABA?
假若一个变量初次读取是A，在compare阶段依然是A，但其实可能从读取A到后面的compare这段过程里，它先被改为B，再被改回A，而CAS是无法意识到这个问题的。CAS只关注了比较那一刻的值是否A，而无法清楚在此过程中变量的变更明细，这就是所谓的ABA漏洞。
如何解决ABA问题
可以采用数据库的乐观锁方式，采用version版本号，每次修改就给version版本号+1
(2)自旋时间过长
do-while的自旋循环，如果多线程竞争激烈的情况下，锁一直拿不到，他就会一直自旋，消耗CPU性能。
