Java并发——CAS

什么是CAS？

　　CAS是Compare And Swap的简称。在Java中有很多实现，比如compareAndSwapObject()方法，或者compareAndSwapInt()方法等。多用在包java.util.concurrent.atomic下的类中来实现原子性的操作。这里主要是结合compareAndSwapInt()方法介绍一下CAS的核心思想以及一些问题。

什么是原子性？

　　对于原子，相信学过化学的都知道，化学反应到最后不可分割的是原子。如果把我们的系统各个线程比作各种各样的化学方程式的话，其中有一部分我们就希望无论系统怎么运行，这部分都是像原子一样不能再被分割。前面说过synchronized和CAS可以实现原子性，而volatile不可以，从使用的方法上我们也可以看出，synchronized修饰的部分都是代码块或方法，也就是范围大，可以理解里面的部分都是原子的组成部分，同理CAS实际上也是一个方法，而volatile只是修饰一个变量。要实现原子性也很简单，只需要保证每次只有一个线程来运行这里面的代码即可，像我们刚接触Java时只写了主线程，那么主线程中的代码就是原子性的。上次介绍了synchronized关键字原理，现在就看看CAS在底层到底是怎么实现的。

++运算符和getAndIncreament()方法的线程安全性比较

　　在平常相信每个人都接触过for循环

for(int i=0;i<10;i++);

　　上面这段代码大家肯定都敲过很多遍。对于i++运算，其实表面看起来是i进行自增加，但其实在底层i++操作是分三步：

　　　　1、从主存中取出i的值

　　　　2、i进行加一操作

　　　　3、把值写回主存

　　这三步操作还是i是被volatile修饰的情况下才会进行，而平常更多的是直接操作线程副本里的i。当i是共享变量时在多个线程的情况下就会出现错误。比如线程A修改了i的值却没有写到内存，其他线程拿i的旧值进行操作，或者是线程A和线程B同时进行上面三步，那么原本是要加两次的，实际上就只加了一次。所以这是不安全的。而如果我们使用AtomicInteger类型中getAndIncreament()方法就是线程安全的，下面来分析一下这个方法为什么线程安全

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
    public final int getAndIncrement() {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
    }
}

　　我们看见这个方法中调用了unsafe.getAndAddInt方法并且传了三个参数，这三个参数分别是

　　　　this:当前的AtomicInteger类的对象。

　　　　valueOffset：可以理解为value在内存中的地址。也就是要从内存中获取最新的value值。

　　　　1：这个就很好理解了，就是每次需要增加的数，也就是自增1。　　

　　然后进入unsafe.getAndAddInt方法中

public final class Unsafe {
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;
    }
}

　　说一下里面的大概实现的功能。首先定义了var5，var5是通过getIntVolatile方法获取当前内存中AtomicInteger当前对象的最新值，然后比较当前对象的值，也就是var1中的value属性值和我重新在主内存中拿的值var5对应的value值是否一样，一样才会进行加一操作，并且退出while循环，最后返回var5。如果不一样就会一直从底层中去取，直到取的是和当前对象的值一样了才会执行后面的操作。现在看到这其实已经发现很多CAS存在的问题了。

　　1、ABA问题

　　　　上面说的比较当前值和内存中的值一样怎么即可进行下次操作。那么如果有其他线程在改过这个变量的值之后，又因为某些操作而把变量的值改回来，这时候比较的值一样了，CAS就会进行相应的操作。通俗一点说就是现在线程1需要拿共享变量的A值进行加一操作，而线程2把共享变量的值改成B值，之后又把这个变量改回A值，那么在同一时刻实际上有两个线程操作了这个值，所以破坏了原子性。这个问题解决思路就是加上版本号，对这个变量改过一次版本号就更新一次。通过版本号来记录变量的改动次数。在JDK1.5后Atomic包中就提供了一个类AtomicStampedReference来解决ABA问题。这里说一下compareAndSet方法具体的步骤是首先检查引用是否等于预期引用，也就是在内存中拿的值是否等于预期操作的值，然后检查当前的标志是否等于预期的标志，这里可以理解为版本号。

　　2、循环时间开销大

　　　　如果从内存中拿到的值一直和预期的值不相等，那么就会一直循环一直拿。这样会给CPU带来很大的消耗，这里稍微提一下，JVM支持处理器提供的pause指令时，这个问题才会得到一定的改善。

　　3、原子性不互相兼容

　　　　这个其实是说AtomicInteger类下的单独一个方法是原子性的，但是两个方法之间放在一起操作这个对象就不是原子性的，或者对多个共享变量操作时，CAS也无法保证操作是原子性。这个可以通过锁来实现（也就是需要使用一个对象下的多个方法一起进行操作的时候使用）或者通过AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性（内部是通过把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作）

总结

　　其实说到这，CAS只是其中的一个方法，而Atomic包下的类才是我们使用的主角，只不过底层在保证原子性的时候使用的是CAS方法+volatile变量，volatile变量是类中用来修饰value的，所以value会在每次操作的时候都会和主内存进行交互。CAS负责操作这个value值。CAS具体的实现是在用C++代码编写的，这里就没继续去看对应的源代码。若需要学习，完全可以去看看底层如何通过C++来实现的。