聊聊CAS - 面试官最喜欢问的并发编程专题

什么是CAS

学习Java并发编程，CAS（Compare And Set）机制都是一个不得不掌握的知识点。除了通过synchronized进行并发控制外，还可以通过CAS的方式控制，大家熟悉的ReentrantLock内部实现大量采用CAS进行控制。

CAS即Compare and Swap，即比较并交换。

CAS有三个操作数：内存值V、预期值A、要修改的值B，当且仅当预期值A和内存值V相同时，才将内存值修改为B，否则什么都不做。最后返回现在的V值。

CAS在任何一种情况下，都会返回V的真实值。（这个变量称为compare-and-set，无论操作是否成功都会返回。）CAS的意思是：“我认为V的值应该是A，如果是，那么将其赋值为B，若不是，则不修改，并告诉我应该为多少”。CAS是一项乐观技术，它抱着成功的希望进行更新，并且如果另一个线程在上次检查后更新了该变量，它能够发现错误。

CAS是由CPU指令来保证的，大多数的处理器都支持都实现了CAS指令。

CAS的优点

保证原子性的方式只有加锁，无论是内置锁(synchronized),还是显示锁(ReentrantLock),加锁意味着线程阻塞，如果竞争激烈，很可能导致频繁的线程上下文切换，从而大大降低了性能。

CAS机制是一种乐观锁，可以避免这些问题，使得执行效率很大的提高。

CAS典型应用场景

1、乐观锁思想

CAS解决并发的思路可以在很多场景中借鉴，在数据库使用中，可以采用这种方式来避免加锁操作，比如大家学习Hibernate时候的乐观锁。

2、Java Concurren

Java Concurrent包下大量使用CAS实现并发控制，比如Atomic*，ReentrantLock等。

比如AtomicInteger中，就使用CAS。

Java无法直接访问底层操作系统，而是通过本地（native）方法来访问。JVM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。

例如AtomicInteger的getAndSet方法：

public final int getAndSet(int newValue) {
     return unsafe.getAndSetInt(this, valueOffset, newValue);
 }

unsafe类的getAndSetInt

public final int getAndSetInt(Object var1, long var2, int var4) {
    int var5;
    do {
        var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);//根据地址和偏移量获取数值
    } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var4));//重复尝试CAS操作
    return var5;
}

通过调用unsafe的getlntVolatile（var1，var2），这是个native方法，其实就是获取var1中，var2偏移量处的值。var1就是Atomiclnteger对象本身，var2就是我们前面提到的偏移地址，这样我们就从内存里获取到现在偏移地址处的值了。

再通过compareAndSwapInt操作输入原值var5和目标值var4，如果操作成功返回，操作失败重新读取内存数据再次进行compareAndSwapInt直到成功。

CAS的缺点

CAS虽然很高效的解决原子操作，但是CAS仍然存在三大问题。ABA问题，循环时间长开销大和只能保证一个共享变量的原子操作。

1)ABA问题

CAS操作需要检查当前内存的变量值是否和刚刚读取的值相同，假设一个变量是A，变成了B，之后又变成了A，所以在进行CAS操作的时候检查到它的值没有发生变化。ABA的解决方案就是加上版本号1A->2B->3A，类似这种。java先行者们也给我们提供了AtomicStampedReference来解决ABA的问题，其中的预期标志也类似于版本号的功能。

2)循环时间长开销大

多线程竞争激烈的情况下进行CAS操作，会导致某些线程长时间空循环，也就是说它什么都没做，只是不停地在浪费处理器的处理时间而已。

3)只能保证一个共享变量的原子操作

一个共享变量的操作可以用CAS保证其原子性，多个共享变量的操作，循环CAS是无法保证其原子性的。有个取巧的办法，java先行者设计的AtomicReference类，我们可以通过将多个变量放到一个对象里面，然后由AtomicReference进行原子性地更新。

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