CAS 分析

CAS是什么

　　(1) CAS(Compare and Swap) 比较并交换, 比较并交换是在多线程并发时用到的一种技术

　　(2) CAS是原子操作, 保证并发安全性, 而不是保证并发同步.

　　(3) CAS是一个CPU指令

　　(4) CAS是一种非阻塞的轻量级乐观锁

什么是乐观锁和悲观锁

　　乐观锁, 严格来讲并不是锁, 他是通过原子性来保证数据的同步, 乐观的认为在数据操作期间没有其他线程影响. 而悲观锁例如: synchronize  认为在数据操作期间一定会有其他线程影响, 所以会通过并发同步的方式来保证数据的正确.  所以CAS不会保证线程同步, 乐观地认为在数据更新期间没有其他线程影响.

CAS原理

　　CAS, 比较并交换, 是将内存值更新为需要的值, 但是有个条件, 就是内存值必须与期望值相同. 例如: 期望值 E, 工作内存值 M , 更新值 U, 只有 当 E == M 时, 将M 更新为U.

CAS应用

　　由于CAS是CPU指令，我们只能通过JNI与操作系统交互，关于CAS的方法都在sun.misc包下Unsafe的类里 java.util.concurrent.atomic包下的原子类等通过CAS来实现原子操作。

CAS指令

　　原子类例如AtomicInteger,  其中的getAndIncrement方法就用了CAS.

public final int getAndIncrement() {
        //主要看这个getAndAddInt方法
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
}

//var1 是this指针
//var2 是地址偏移量
//var4 是自增的数值，是自增1还是自增N
public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
        int var5;
        do {
        //获取主内存值，这是内存值已经是旧的，假设我们称作期望值E
            var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
            //var5是期望值E，var5 + var4是要更新的值
            //这个操作就是调用CAS的JNI,每个线程将自己内存里的内存值M和期望值E作比较,
            //如果相同将内存值M更新为var5 + var4,并同步到主内存, 否则做自旋操
　　　　} while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));
　　　　return var5;
 }            

　　流程:

　　1. 假设有两个线程: A, B

　　2. jvm 中主内存为1 , A, B 线程的工作内存为1 (工作内存会拷贝一份主内存的值)

　　3. 当前期望值E为1 , A, B 两个线程做+1操作

　　4. 执行到getAndAddInt方法,  var5 = 1 , var4 = 1,

　　　　(1) A线程将var5 与工作内存值M比较,  比较var5 是否等于1

　　　　(2) 如果相等, 则将工作内存值更新为 var5+var4 , 并更新到主内存, 此时this指针的value = 2

　　　　(3) 如果不相等, 说明B线程先A线程进行了更新操作, 这时主内存值 = 2,  A线程未更新成功继续循环, var5 更新为新主内存值 = 2,  因为this指针的value用volatile 修饰, 所以更新为2,  这时继续将 var5 与工作内存值M比较, 比较var5 是否等于 2 , 相等则将工作内存值更新为var5 + var4,  并更新到主内存, 此时this指针的value = 3; 主内存值为3;

　　　　(4) 如果一直不相等, 重复第三步直到相等退出更新.

CAS 优缺点

• 优点

　　　　　非阻塞的轻量级乐观锁, 通过CPU指令实现, 在资源竞争不激烈的情况下性能高, 相比synchronize重量级悲观锁, synchronize有复杂的加锁, 解锁和唤醒线程操作.

• 缺点

　　　　　(1) ABA 问题, 线程1, 2.  线程1 将A修改为B后又修改为A, 此时线程2以为A没有改变过. 而 J巴德原子类AtomicStampedReference, 通过控制变量值的版本来保证CAS的正确性.

　　　　　(2) 自旋时间过长, 消耗CPU资源, 如果资源竞争激烈, 啧多线程自旋时间长消耗资源.