CAS机制详解

1. 定义
2. 实现原理
3. 无版本号CAS实战说明
4. CAS机制在Java中的应用
5. CAS的缺点
6. JAVA中CAS的底层实现
- 1. AtomicInteger当中常用的自增方法incrementAndGet
- 2. compareAndSet方法的实现，以及方法所依赖对象的来历
7. CAS的ABA问题原理
8. CAS中ABA问题解决方案
9. 参考

1. 定义

CAS是英文单词Compare and Swap的缩写，翻译过来就是比较并替换。

2. 实现原理

CAS机制中使用了3个基本操作数：内存地址V，旧的预期值A，要修改的新值B。
- 更新一个变量的时候，只有当变量的预期值A和内存地址V当中的实际值相同时，才会将内存地址V对应的值修改为B。

3. 无版本号CAS实战说明

在内存地址V当中，存储着值为10的变量。
此时线程1想把变量的值增加1.对线程1来说，旧的预期值A=10，要修改的新值B=11.
在线程1要提交更新之前，另一个线程2抢先一步，把内存地址V中的变量值率先更新成了11。
线程1开始提交更新，首先进行A和地址V的实际值比较，发现A不等于V的实际值，提交失败。
线程1重新获取内存地址V的当前值，并重新计算想要修改的新值。此时对线程1来说，A=11，B=12。这个重新尝试的过程被称为自旋。
这一次比较幸运，没有其他线程改变地址V的值。线程1进行Compare，发现A和地址V的实际值是相等的。
线程1进行SWAP，把地址V的值替换为B，也就是12。

从思想上来说，Synchronized属于悲观锁，悲观的认为程序中的并发情况严重，所以严防死守

CAS属于乐观锁，乐观地认为程序中的并发情况不那么严重，所以让线程不断去重试更新。

4. CAS机制在Java中的应用

在Java中除了上面提到的Atomic系列类，还有Lock系列类的底层实现

在Java 1.6以上版本，Synchronized转变为重量级锁之前，也会采用CAS机制。

5. CAS的缺点

1. CPU开销过大

在并发量比较高的情况下，如果许多线程反复尝试更新某一个变量，却又一直更新不成功，循环往复，会给CPU带来很到的压力。

2. 不能保证代码块的原子性

CAS机制保证的只有一个变量的原子性操作，而不能保证整个代码块的原子性。
- 比如需要保证3个变量共同进行原子性的更新，就不得不使用Synchronized了。

3. ABA问题

这是CAS机制最大的问题所在。

6. JAVA中CAS的底层实现

1. AtomicInteger当中常用的自增方法incrementAndGet

public final int incrementAndGet() {

    for (;;) {
        int current = get();
        int next = current + 1;
        if (compareAndSet(current, next))
            return next;
    }

}

private volatile int value; 

public final int get() {

    return value;

}


这段代码是一个无限循环，也就是CAS的自旋，循环体中做了三件事：
1. 获取当前值
2. 当前值+1，计算出目标值
3. 进行CAS操作，如果成功则跳出循环，如果失败则重复上述步骤

这里需要注意的重点是get方法，这个方法的作用是获取变量的当前值。

如何保证获取的当前值是内存中的最新值？
- 用volatile关键字来保证（保证线程间的可见性）。

2. compareAndSet方法的实现，以及方法所依赖对象的来历

public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
    return unsafe.cmpareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}

private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
private static final long valueOffset;

static {
    try {
        valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
                (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
    }catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}

compareAndSet方法的实现很简单，只有一行代码。这里涉及到两个重要的对象，一个是unsafe，一个是valueOffset。

什么是unsafe呢？
- Java语言不像C，C++那样可以直接访问底层操作系统，但是JVM为我们提供了一个后门，这个后门就是unsafe。unsafe为我们提供了硬件级别的原子操作。

至于valueOffset对象，是通过unsafe.objectFiledOffset方法得到，所代表的是AtomicInteger对象value成员变量在内存中的偏移量。我们可以简单的把valueOffset理解为value变量的内存地址。

我们上面说过，CAS机制中使用了3个基本操作数：内存地址V，旧的预期值A，要修改的新值B。

而unsafe的compareAndSwapInt方法的参数包括了这三个基本元素：valueOffset参数代表了V，expect参数代表了A，update参数代表了B。

正是unsafe的compareAndSwapInt方法保证了Compare和Swap操作之间的原子性操作。

7. CAS的ABA问题原理

假设内存中有一个值为A的变量，存储在地址V中。
此时有三个线程想使用CAS的方式更新这个变量的值，每个线程的执行时间有略微偏差。线程1和线程2已经获取当前值，线程3还未获取当前值。
线程1先一步执行成功，把当前值成功从A更新为B；同时线程2因为某种原因被阻塞住，没有做更新操作；线程3在线程1更新之后，获取了当前值B。
线程2仍然处于阻塞状态，线程3继续执行，成功把当前值从B更新成了A。
线程2终于恢复了运行状态，由于阻塞之前已经获得了“当前值A”，并且经过compare检测，内存地址V中的实际值也是A，所以成功把变量值A更新成了B。

这个过程中，线程2获取到的变量值A是一个旧值，尽管和当前的实际值相同，但内存地址V中的变量已经经历了A->B->A的改变。

看起来这个例子没啥问题，但如果结合实际，就可以发现它的问题所在。

我们假设一个提款机的例子。假设有一个遵循CAS原理的提款机，小灰有100元存款，要用这个提款机来提款50元。
由于提款机硬件出了点问题，小灰的提款操作被同时提交了两次，开启了两个线程，两个线程都是获取当前值100元，要更新成50元。
理想情况下，应该一个线程更新成功，一个线程更新失败，小灰的存款值被扣一次。
线程1首先执行成功，把余额从100改成50.线程2因为某种原因阻塞。这时，小灰的妈妈刚好给小灰汇款50元。
线程2仍然是阻塞状态，线程3执行成功，把余额从50改成了100。
线程2恢复运行，由于阻塞之前获得了“当前值”100，并且经过compare检测，此时存款实际值也是100，所以会成功把变量值100更新成50。