CAS 操作原理

1. 前言

本節(jié)內(nèi)容主要是對 CAS 操作原理進(jìn)行講解，由于 CAS 涉及到了并發(fā)編程包的使用，本節(jié)課程只對 CAS 的原理問題進(jìn)行講解，有助于同學(xué)后續(xù)對并發(fā)編程工具使用的學(xué)習(xí)。本節(jié)具體內(nèi)容點(diǎn)如下：

• 了解 CAS 的概念，這是本節(jié)內(nèi)容的基礎(chǔ)知識；
• 了解 CAS 誕生的背景，能夠更好地理解 CAS，這是本節(jié)的基礎(chǔ)知識；
• 了解 CAS 操作誕生的意義，這也是 CAS 操作的作用所在；
• 了解 CAS 的操作原理，這也是本節(jié)內(nèi)容的核心知識點(diǎn)，其他知識點(diǎn)都是圍繞這一知識點(diǎn)展開的；
• 了解 CAS 中常見的 ABA 問題，這是本節(jié)內(nèi)容的重點(diǎn)。

2. 什么是 CAS

概念：CAS 是 CompareAndSwap 的簡稱，是一種用于在多線程環(huán)境下實(shí)現(xiàn)同步功能的機(jī)制。

從字面上理解就是比較并更新。簡單來說，從某一內(nèi)存上取值 V，和預(yù)期值 A 進(jìn)行比較，如果內(nèi)存值 V 和預(yù)期值 A 的結(jié)果相等，那么我們就把新值 B 更新到內(nèi)存，如果不相等，那么就重復(fù)上述操作直到成功為止。

3. CAS 誕生的背景

synchronized 時(shí)代：在多線程中為了保持?jǐn)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，避免多個(gè)線程同時(shí)操作某個(gè)變量，很多情況下利用關(guān)鍵字 synchronized 實(shí)現(xiàn)同步鎖。

使用 synchronized 關(guān)鍵字可以使操作的線程排隊(duì)等待運(yùn)行，可以說是一種悲觀策略，認(rèn)為線程會修改數(shù)據(jù)，所以開始就把持有鎖的線程鎖住，其他線程只能是掛起狀態(tài)，等待鎖的釋放，所以同步鎖帶來了效率問題。

synchronized 時(shí)代效率問題：在線程執(zhí)行的時(shí)候，獲得鎖的線程在運(yùn)行，其他被掛起的線程只能等待著持有鎖的線程釋放鎖才有機(jī)會運(yùn)行，在效率上都浪費(fèi)在等待上。

在很多的線程切換的時(shí)候，由于有同步鎖，就要涉及到鎖的釋放，加鎖，這又是一個(gè)很大的時(shí)間開銷。

volatile 時(shí)代：與鎖（阻塞機(jī)制）的方式相比有一種更有效地方法，非阻塞機(jī)制，同步鎖帶來了線程執(zhí)行時(shí)候之間的阻塞，而這種非阻塞機(jī)制在多個(gè)線程競爭同一個(gè)數(shù)據(jù)的時(shí)候不會發(fā)生阻塞的情況，這樣在時(shí)間上就可以節(jié)省出很多的時(shí)間。

我們會想到用 volatile，使用 volatile 不會造成阻塞，volatile 保證了線程之間的內(nèi)存可見性和程序執(zhí)行的有序性可以說已經(jīng)很好的解決了上面的問題。

volatile 時(shí)代原子操作問題：一個(gè)很重要的問題就是，volatile 不能保證原子性，對于復(fù)合操作，例如 i++ 這樣的程序包含三個(gè)原子操作：取值，增加，賦值。

4. CAS 操作誕生的意義

意義：從上邊 CAS 操作誕生的背景所說的，CAS（Compare And Swap 比較和交換）解決了 volatile 不能保證原子性的問題。從而 CAS 操作即能夠解決鎖的效率問題，也能夠保證操作的原子性。

Tips：在 JDK1.5 新增的 java.util.concurrent (JUC java 并發(fā)工具包) 就是建立在 CAS 之上的。相比于 synchronized 這種堵塞算法， CAS 是非堵塞算法的一種常見實(shí)現(xiàn)。所以 JUC 在性能上有了很大的提升。

5. CAS 操作原理

CAS 主要包含三個(gè)操作數(shù)，內(nèi)存位置 V，進(jìn)行比較的原值 A，和新值 B。

當(dāng)位置 V 的值與 A 相等時(shí)，CAS 才會通過原子方式用新值 B 來更新 V，否則不會進(jìn)行任何操作。無論位置 V 的值是否等于 A，都將返回 V 原有的值。

上面說到了同步鎖是一種悲觀策略，CAS 是一種樂觀策略，每次都開放自己，不用擔(dān)心其他線程會修改變量等數(shù)據(jù)，如果其他線程修改了數(shù)據(jù)，那么 CAS 會檢測到并利用算法重新計(jì)算。

CAS 也是同時(shí)允許一個(gè)線程修改變量，其他的線程試圖修改都將失敗，但是相比于同步鎖，CAS 對于失敗的線程不會將他們掛起，他們下次仍可以參加競爭，這也就是非阻塞機(jī)制的特點(diǎn)。

6. ABA 問題

ABA 問題描述：

• 假設(shè)有兩個(gè)線程，線程 1 和線程 2，線程 1 工作時(shí)間需要 10 秒，線程 2 工作需要 2 秒；
• 主內(nèi)存值為 A，第一輪線程 1 和線程 2 都把 A 拿到自己的工作內(nèi)存；
• 第 2 秒，線程 2 開始執(zhí)行，線程 2 工作完成把 A 改成了 B ；
• 第 4 秒，線程 2 把 B 又改成了 A，然后就線程 2 進(jìn)入休眠狀態(tài)；
• 第 10 秒，線程 1 工作完成，看到期望為 A 真實(shí)值也是 A 認(rèn)為沒有人動過，其實(shí) A 已經(jīng)經(jīng)過了修改，只不過又改了回去，然后線程 1 進(jìn)行 CAS 操作。

ABA 問題解決：為了解決這個(gè)問題，在每次進(jìn)行操作的時(shí)候加上一個(gè)版本號或者是時(shí)間戳即可。

7. 小結(jié)

本節(jié)內(nèi)容的核心知識點(diǎn)即了解 CAS 的操作原理，其他知識點(diǎn)都是圍繞這一知識點(diǎn)展開的，對于 CAS 中所引發(fā)的 ABA 問題以及該問題的解決方式為本節(jié)內(nèi)容重點(diǎn)。需要對這兩點(diǎn)進(jìn)行著重掌握。