Java中的CAS原理

前言：在对AQS框架进行分析的过程中发现了很多CAS操作，因此有必要对CAS进行一个梳理，也便更清楚的了解其原理。

1.CAS是什么

CAS，是compare and swap的缩写，中文含义：比较交换。

CAS操作包含三个操作数——需要读写的内存值（V）、预期原值[进行比较的值]（A）和新值（B）。如果V的值与A值匹配时，那么就将该内存位置的值更新为新值，否则不做任何操作。

CAS用于同步的方式是从地址V处读取值A，在执行一些列计算后获得新值B，如果此时内存V处的值和预期值A相等，则将V处值更新为B，此时CAS操作成功。

2.CAS原理

在intel的CPU中，Java CAS操作通过cmpxchg指令来完成原子操作，通过JNI来完成非阻塞算法，J.U.C包都建立在CAS上，对比synchronized阻塞算法，通过CAS在性能上有了很大的提升。

CAS的操作都集中在Unsafe类中，这里看compareAndSwapInt的源码：

通过源码可以看出该方法为native的，它会去调底层的C++代码。对应intel x86处理器源代码片段：

os::is_MP()命令会根据当前处理器类型来决定是否为cmpxchg指令添加lock前缀。如果是多处理器，就会在cmpxchg指令前加上lock前缀，否则单处理器按书序一致性执行，不需要内存屏障的效果。

3.CAS的缺点

CAS虽然可以很高效的解决原子操作问题，但它仍然存在三大问题。

#1.ABA问题

ABA问题产生的原因：CAS操作的时候需要检查值有没有发生变化，如果没有发生变化则进行更新，但如果一个值原来是A，接着变成B，后来又变成A，在CAS操作的时候会发现它的值没有发生变化，但实际上值发生了变化。因此这种操作是有问题的。

解决思路：使用版本号。在变量前面追加上版本号，每次变量更新的时候把版本号自增，那么A－B－A 就会变成1A-2B－3A。从Java1.5开始JDK的atomic包里提供了一个类AtomicStampedReference来解决ABA问题。这个类的compareAndSet方法作用是首先检查当前引用是否等于预期引用，并且当前标志是否等于预期标志，如果全部相等，则以原子方式将该引用和该标志的值设置为给定的更新值。

#2.循环时间开销大

自旋CAS如果长时间不成功，会给CPU带来非常大的执行开销。

#3.只能保证一个共享变量的原子操作

因为Java中的CAS操作只是对CPU的cmpxchg指令的一层封装，它的功能就是一次只能原子的修改一个变量，可以加锁来解决这个问题。或者利用AtomicReference把多个变量放入一个对象中进行CAS操作。

总结

对于CAS记住比较交换，相同则更新，以及CAS的在AQS的重要地位。

参考：

https://blog.52itstyle.com/archives/948/

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by Shawn Chen， 2019.1.30日，下午。