CAS是什么

CAS是compare and swap的縮寫，即我們所說的比較交換。該操作的作用就是保證數(shù)據(jù)一致性、操作原子性。

cas是一種基于鎖的操作，而且是樂觀鎖。在java中鎖分為樂觀鎖和悲觀鎖。悲觀鎖是將資源鎖住，等之前獲得鎖的線程釋放鎖之后，下一個線程才可以訪問。而樂觀鎖采取了一種寬泛的態(tài)度，通過某種方式不加鎖來處理資源，比如通過給記錄加version來獲取數(shù)據(jù)，性能較悲觀鎖有很大的提高。

CAS 操作包含三個操作數(shù) —— 內(nèi)存位置（V）、預(yù)期原值（A）和新值(B)。如果內(nèi)存地址里面的值和A的值是一樣的，那么就將內(nèi)存里面的值更新成B。否則將不做任何處理。

CAS是通過無限循環(huán)來獲取數(shù)據(jù)的，若果在第一輪循環(huán)中，a線程獲取地址里面的值被b線程修改了，那么a線程需要自旋，到下次循環(huán)才有可能機會執(zhí)行。

為什么說CAS能很好的保證數(shù)據(jù)一致性，因為它是直接從硬件層面保證了原子性。

CAS是一條CPU的原子指令(cmpxchg指令），Unsafe提供的CAS方法（如compareAndSwapXXX）底層實現(xiàn)即為CPU指令cmpxchg。

執(zhí)行cmpxchg指令的時候，會判斷當前系統(tǒng)是否為多核系統(tǒng)，如果是就給總線加鎖，只有一個線程會對總線加鎖成功，加鎖成功之后會執(zhí)行cas操作，也就是說CAS的原子性實際上是CPU實現(xiàn)獨占的。比起用synchronized重量級鎖， 這里的排他時間要短很多， 所以在多線程情況下性能會比較好。

測試案例講解

import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;public class TestCas {public static int count = 0;private final static int MAX_TREAD=10;public static AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);public static void main(String[] args) throws InterruptedException {/*CountDownLatch能夠使一個線程在等待另外一些線程完成各自工作之后，再繼續(xù)執(zhí)行。使用一個計數(shù)器進行實現(xiàn)。計數(shù)器初始值為線程的數(shù)量。當每一個線程完成自己任務(wù)后，計數(shù)器的值就會減一。當計數(shù)器的值為0時，表示所有的線程都已經(jīng)完成一些任務(wù)，然后在CountDownLatch上等待的線程就可以恢復(fù)執(zhí)行接下來的任務(wù)。*/CountDownLatch latch = new CountDownLatch(MAX_TREAD);//匿名內(nèi)部類Runnable runnable = new Runnable() {@Overridepublic void run() {for (int i = 0; i < 1000; i++) {count++;atomicInteger.getAndIncrement();}latch.countDown(); // 當前線程調(diào)用此方法，則計數(shù)減一}};//同時啟動多個線程for (int i = 0; i < MAX_TREAD; i++) {new Thread(runnable).start();}latch.await(); // 阻塞當前線程，直到計數(shù)器的值為0System.out.println("理論結(jié)果：" + 1000 * MAX_TREAD);System.out.println("static count: " + count);System.out.println("AtomicInteger: " + atomicInteger.intValue());}
}

我們發(fā)現(xiàn)每次運行，atomicInteger 的結(jié)果值都是正確的，count++的結(jié)果卻不對

為什么AtomicInteger類的操作能保證數(shù)據(jù)一致性呢個？進入它的源碼：

public final int getAndIncrement() {return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
}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;
}
//cas方法
public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);

可以看到最終是調(diào)用了Unsafe類中的compareAndSwapInt，該方法就是CAS方法其中的一個。Unsafe類中總共有三個涉及CAS的方法

/*
@param o 包含要修改的字段的對象
@param offset 字段在對象內(nèi)的偏移量
@param expected 期望值（舊的值）
@param update 更新值（新的值）
@return true 更新成功 | false 更新失敗
*/
public final native boolean compareAndSwapObject(Object o, long offset, Object expected, Object update);
public final native boolean compareAndSwapInt( Object o, long offset, int expected,int update);
public final native boolean compareAndSwapLong( Object o, long offset, long expected, long update);

在執(zhí)行 Unsafe 的 CAS 方法的時候，這些方法首先將內(nèi)存位置的值與預(yù)期值（舊的值）比較，如果相匹配，那么處理器會自動將該內(nèi)存位置的值更新為新值，并返回 true ；如果不相匹配，處理器不做任何操作，并返回 false 。

總的來說，AtomicInteger類主要利用CAS (compare and swap) + volatile和 native方法來保證原子操作。

通過看上述getAndAddInt方法源碼，可見如果cas失敗會不斷循環(huán)重復(fù)嘗試。這就常說的cas自旋，所謂自旋其實是重復(fù)調(diào)用compareAndSwap方法，涉及到的方法有以下幾個，也是在Unsafe類中。

• getAndAddInt
• getAndAddLong
• getAndSetInt
• getAndSetLong
• getAndSetObject

CAS缺點

1. ABA問題。因為CAS需要在操作值的時候檢查下值有沒有發(fā)生變化，如果沒有發(fā)生變化則更新，但是如果一個值原來是A，變成了B，又變成了A，那么使用CAS進行檢查時會發(fā)現(xiàn)它的值沒有發(fā)生變化，但是實際上卻變化了。

2. 循環(huán)時間長開銷大。高并發(fā)下N多線程同時去操作一個變量，會造成大量線程CAS失敗，然后處于自旋狀態(tài)，導致嚴重浪費CPU資源，降低了并發(fā)性。

ABA問題解決方案（AtomicStampedReference）

JDK 的提供了一個類似 AtomicStampedReference 類來解決 ABA 問題。

AtomicStampReference 在 CAS 的基礎(chǔ)上增加了一個 Stamp 整型 印戳（或標記），使用這個印戳可以來覺察數(shù)據(jù)是否發(fā)生變化，給數(shù)據(jù)帶上了一種實效性的檢驗。
AtomicStampReference 的 compareAndSet 方法首先檢查當前的對象引用值是否等于預(yù)期引用，并且當前印戳（ Stamp ）標志是否等于預(yù)期標志，如果全部相等，則以原子方式將引用值和印戳（ Stamp ）標志的值更新為給定的更新值。

1. AtomicStampReference 的構(gòu)造器

   /**  
   * @param initialRef初始引用  
   * @param initialStamp初始戳記  
   */
   AtomicStampedReference(V initialRef, int initialStamp)
   

2. AtomicStampReference的核心方法

   AtomicStampReference類中有自己的compareAndSet方法，進入源碼：

   /**
   * expectedReference 引用的舊值
   * newReference 引用的新值
   * expectedStamp 舊的戳記
   * newStamp 新的戳記 
   */
   public boolean compareAndSet(V   expectedReference,V   newReference,int expectedStamp,int newStamp) {Pair<V> current = pair;returnexpectedReference == current.reference &&expectedStamp == current.stamp &&((newReference == current.reference &&newStamp == current.stamp) ||casPair(current, Pair.of(newReference, newStamp))); //unsafe類中的cas
   }
   

   可以看到舊值expectedReference和舊印戳expectedStamp都會進行比較，都滿足才會調(diào)用Unsafe中的cas方法。