CAS

Posted 2020-12-17 juzhuxiaozhu

CAS

一. 简介

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利用锁保证线程安全会造成CPU资源浪费（例如线程调度，线程上下文切换等），考虑到锁带来的开销，引入了无锁算法CAS(Compare And Swpa，比较交换)，成为整个JUC体系最核心、最基础理论。

CAS一定要volatile变量配合，这样才能保证每次拿到的变量是主内存中最新的那个值，否则旧的预期值A对某条线程来说，永远是一个不会变的值A，只要某次CAS操作失败，永远都不可能成功。

• 官方解释：我认为V的值应该是A，如果是，那么将V的值更新为B，否则不修改并告诉V的实际值是多少。其中：V代表内存值，A代表旧的预期值，B代表新的预期值。
• CAS的目的在于判断欲修改的值是否被修改过。CAS的过程一旦被打断，就会重新开始。以确保操作的原子性。
• 因为CAS涉及到线程的重新调度问题，所以需要结合具体的cpu内核架构来涉及，因此Java的CAS底层是依靠C语言实现的。目前市面上，服务器流行的内核架构都是支持CAS。

二. ABA问题

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• 问题：CAS需要在操作值的时候，检查值有没有发生变化，如果没有发生变化则更新，但是如果一个值原来是A，后来变成了B，又变成了A，那么使用CAS进行检查时会发现它的值没有发生变化，但是实际上却变化了。

• 解决思路：使用版本号。在变量前面追加版本号，每次变量更新的时候把版本号+1，那么A->B->A 就会变成1A->2B->3A。从JDK1.5 开始，JDK的Atomic包里提供了一个类Atomic包里提供了一个AtomicStampedReference来解决ABA问题。

  public boolean compareAndSet(
  	V expectedReference, // 预期引用
  	V newReference, // 更新后的引用
  	int expectedStamp, // 预期标志
  	int newStamp // 更新后的标志
  )
  

  compareAndSet方法的作用首先检查当前引用是否等于预期引用，并且检查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。

三. 缺陷

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1. 循环时间长，开销大

   CAS不成功则会一直自旋，如果自旋CAS长时间不成功，会给CPU带来非常大的执行开销。

2. 只能保证一个共享变量的原子操作

   当对一个共享变量执行操作时，我们可以使用循环CAS的方式来保证原子操作，但是对多个共享变量操作时，循环CAS就无法保证操作的原子性，这个时候就可以用锁。

   还有一个取巧的办法，就是把多个共享变量合并成一个共享变量来操作。比如，有两个共享变量i＝2，j=a，合并一下ij=2a，然后用CAS来操作ij。从Java 1.5开始，JDK提供了AtomicReference类来保证引用对之间的原子性，就可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作。