Java并发编程：什么是CAS？这回总算知道了

Posted 2021-02-05

无锁的思想

众所周知，Java中对并发控制的最常见方法就是锁，锁能保证同一时刻只能有一个线程访问临界区的资源，从而实现线程安全。然而，锁虽然有效，但采用的是一种悲观的策略。它假设每一次对临界区资源的访问都会发生冲突，当有一个线程访问资源，其他线程就必须等待，所以锁是会阻塞线程执行的。

当然，凡事都有两面，有悲观就会有乐观。而无锁就是一种乐观的策略，它假设线程对资源的访问是没有冲突的，同时所有的线程执行都不需要等待，可以持续执行。如果遇到冲突的话，就使用一种叫做CAS (比较交换) 的技术来鉴别线程冲突，如果检测到冲突发生，就重试当前操作到没有冲突为止。

CAS概述

CAS的全称是 Compare-and-Swap，也就是比较并交换，是并发编程中一种常用的算法。它包含了三个参数：V，A，B。

其中，V表示要读写的内存位置，A表示旧的预期值，B表示新值

CAS指令执行时，当且仅当V的值等于预期值A时，才会将V的值设为B，如果V和A不同，说明可能是其他线程做了更新，那么当前线程就什么都不做，最后，CAS返回的是V的真实值。

而在多线程的情况下，当多个线程同时使用CAS操作一个变量时，只有一个会成功并更新值，其余线程均会失败，但失败的线程不会被挂起，而是不断的再次循环重试。正是基于这样的原理，CAS即时没有使用锁，也能发现其他线程对当前线程的干扰，从而进行及时的处理。

CAS的应用类

Java中提供了一系列应用CAS操作的类，这些类位于java.util.concurrent.atomic包下，其中最常用的就是AtomicInteger，该类可以看做是实现了CAS操作的Integer，所以，下面我们就通过学习该类的案例来一窥全貌CAS的妙用。

学习AtomicInteger之前，我们先来看一段代码实例：

public class AtomicDemo {

public static int NUMBER = 0;

public static void increase() {
    NUMBER++;
}

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    AtomicDemo test = new AtomicDemo();
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        new Thread(() -> {
            for (int j = 0; j < 1000; j++)
                test.increase();
        }).start();
    }
    Thread.sleep(200);
    System.out.println(test.NUMBER);
}

}
在main函数中开启了10个线程，执行后会轮流调用 increase()，当然我们知道，运行后输出的结果肯定不是我们期望的值，因为没有做线程安全的处理，所以10个线程流量操作临界区的资源NUMBER就会出错。

解决办法并不难，用我们之前学过的锁，例如synchronized修饰代码块，程序就会正常输出10000。当然，用锁解决并不是我们想要的方式，因为锁会阻塞线程，影响程序的性能，这时候，AtomicInteger就可以派上用场了。

将上面的程序改造一下，变成下面这样：

public static AtomicInteger NUMBER = new AtomicInteger(0);

public static void increase() {
NUMBER.getAndIncrement();
}

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
AtomicDemo test = new AtomicDemo();
for (int i = 0; i < 10; i++) {
new Thread(() -> {
for (int j = 0; j < 1000; j++)
test.increase();
}).start();
}
Thread.sleep(200);
System.out.println(test.NUMBER);
}
运行main方法，程序输出的就是我们想要的值，也就是10000。

上面的代码中，increase方法里调用了NUMBER.getAndIncrement() ，这是AtomicInteger的自增方法，会对当前的值加1，并且返回旧值，点进方法的源码，它调用的是unsafe.getAndAddInt()方法：

public final int incrementAndGet() {
return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
}
getAndAddInt的作用是对当前值加1，并返回旧值。

unsafe是Unsafe类的一个变量，通过Unsafe.getUnsafe()来获取

private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
Unsafe类是一个比较特殊的类，它是一个JDK内部使用的专属类，用一般的编辑器无法直接查看源码，只能看到反编译后的class文件。

这里要扩展一个知识点，就是Java本身无法访问操作系统，需要使用native方法，而Unsafe类中的方法就包含了大量的native方法，提高了Java对系统底层的原子操作能力。例如我们代码中使用到的getAndAddInt()底层就是调用一个native方法，用idea点击方法，得到下面反编译后的代码：

public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
int var5;
do {
var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
} while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));

return var5;

}
public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);
compareAndSwapInt的作用是比较并交换整数值，如果指定的字段的值等于期望值，也就是CAS中的 ‘A‘ (预期值)，那么就会把它设置为新值 (CAS中的 ‘B‘)，不难想象，该方法内部的实现必然是依靠原子操作完成的。除此之外，Unsafe类中还提供了其他的原子操作的方法，例如上面源码中的getIntVolatile就是使用volatile语义获得给定对象的值，这些方法通过底层的原子操作高效的提升了应用层面的性能。

CAS的缺点

虽然CAS的性能比起锁要强大很多，但它也存在一些缺点，例如：

1、循环的时间开销大

在getAndAddInt的方法中，我们可以看到，只是简单的设置一个值却调用了循环，如果CAS失败，会一直进行尝试。如果CAS长时间不成功，那么循环就会不停的跑，无疑会给系统造成很大的开销。

2、ABA问题

前面说过，CAS判断变量操作成功的条件是V的值和A是一致的，这个逻辑有个小小的缺陷，就是如果V的值一开始为A，在准备修改为新值前的期间曾经被改成了B，后来又被改回为A，经过两次的线程修改对象的值还是旧值，那么CAS操作就会误任务该变量从来没被修改过。这就是CAS中的“ABA”问题。

当然，"ABA"问题也有解决方案，Java并发包中提供了一个带有时间戳的对象引用 AtomicStampedReference，其内部不仅维护了一个对象值，还维护了一个时间戳，当AtomicStampedReference对应的数值被修改时，除了更新数据本身，还需要更新时间戳，只有对象值和时间戳都满足期望值，才能修改成功。这是AtomicStampedReference的几个有关时间戳信息的方法：

//比较设置 参数依次为：期望值 写入新值 期望时间戳 新时间戳
public boolean compareAndSet(V expectedReference, V newReference,
int expectedStamp, int newStamp)
//获得当前时间戳 欢迎工作一到五年的Java工程师朋友们加入Java程序员开发： 891219277

群内提供免费的Java架构学习资料（里面有高可用、高并发、高性能及分布式、Jvm性能调优、Spring源码，MyBatis，Netty,Redis,Kafka,mysql,Zookeeper,Tomcat,Docker,Dubbo,nginx等多个知识点的架构资料）合理利用自己每一分每一秒的时间来学习提升自己，不要再用"没有时间“来掩饰自己思想上的懒惰！趁年轻，使劲拼，给未来的自己一个交代！

public int getStamp()
//设置当前对象引用和时间戳
public void set(V newReference, int newStamp)