深入理解CAS（樂觀鎖）

java使用CAS之前

在JDK5之前Java語言是靠synchronized關(guān)鍵字保證同步的，這會導(dǎo)致有鎖，鎖機制存在以下問題：

在多線程競爭下，加鎖、釋放鎖會導(dǎo)致比較多的上下文切換和調(diào)度延時，引起性能問題
一個線程持有鎖會導(dǎo)致其他所有需要此鎖的線程掛起
如果一個優(yōu)先級高的線程等待一個優(yōu)先級低的線程釋放鎖會導(dǎo)致優(yōu)先級倒置，引起性能風(fēng)險

volatile是不錯的機制，但是volatile不能保證原子性。因此對于同步最終還是要回到鎖機制上來。

獨占鎖是一個悲觀鎖，synchronized就是一種獨占鎖，會導(dǎo)致其他所有需要鎖的線程掛起，等待持有鎖的線程釋放鎖。而另一種更加有效的鎖就是樂觀鎖，CAS就是一種樂觀鎖

什么是CAS

在java語言之前，并發(fā)就已經(jīng)廣泛存在并在服務(wù)器領(lǐng)域得到了大量的應(yīng)用。所以硬件廠商老早就在芯片中加入了大量支持并發(fā)操作的原語（原語是由若干條指令組成的，用于完成一定功能的一個過程，具有不可分割性，即原語的執(zhí)行必須是連續(xù)的，在執(zhí)行過程中不允許被中斷），從而在硬件層面提升效率。在intel的CPU中，使用cmpxchg指令。

在java發(fā)展初期，java語言是不能夠利用硬件提供的這些便利來提升系統(tǒng)性能的。而隨著java不斷的發(fā)展，java本地方法（JNI）的出現(xiàn)，為java程序越過jvm直接調(diào)用本地方法提供了一種便捷的方式，因而java在并發(fā)的手段上也多了起來。而在Doug Lea提供的concurrent包中，CAS理論是他實現(xiàn)整個java并發(fā)包的基石。

CAS操作包含三個操作數(shù)—— 內(nèi)存位置的值（V）、預(yù)期原值（A）和新值（B）。如果內(nèi)存位置的值與預(yù)期原值相匹配，那么處理器會自動將該位置更新為新值。否則，處理器不做任何操作。無論哪種情況，它都會在CAS指令之前返回該位置的值。CAS有效地說明了“我認(rèn)為位置V應(yīng)該包含值A(chǔ)；如果包含該值，則將B放到這個位置；否則，不要更改該位置，只告訴我這個位置現(xiàn)在的值即可。”

CAS是一種有名的無鎖算法。無鎖編程，即不適用鎖的情況下實現(xiàn)多線程之間的變量同步，也就是在沒有現(xiàn)成被阻塞的情況下實現(xiàn)變量的同步。

總結(jié)如下：

CAS（Compare And Swap）比較并替換，是線程并發(fā)運行時用到的一種技術(shù)
CAS是原子操作，保證并發(fā)安全，而不能保證并發(fā)同步
CAS是CPU的一個指令（需要JNI調(diào)用Native方法，才能調(diào)用CPU的指令）
CAS是非阻塞的、輕量級的樂觀鎖

為什么說CAS是樂觀鎖

樂觀鎖，嚴(yán)格來說并不是鎖，通過原子性來保證數(shù)據(jù)的同步，比如說數(shù)據(jù)庫的樂觀鎖，通過版本控制來實現(xiàn)，所以CAS不會保證線程同步。樂觀的認(rèn)為在數(shù)據(jù)更新期間沒有其他線程影響。

CAS原理

CAS（Compare And Swap）就是將內(nèi)存值更新為需要的值，但是有個條件，內(nèi)存值必須與期望值相同。舉個例子，內(nèi)存值V、期望值A(chǔ)、更新值B，當(dāng)V == A的時候?qū)更新為B。

CAS應(yīng)用

由于CAS是CPU指令，我們只能通過JNI與操作系統(tǒng)交互，關(guān)于CAS的方法都在sun.misc包下Unsafe的類里，java.util.concurrent.atomic包下的原子類等通過CAS來實現(xiàn)原子操作。

使用樂觀鎖還是悲觀鎖

從上面對兩種鎖的介紹，我們知道兩種鎖各有優(yōu)缺點，不可認(rèn)為一種好于另一種，像樂觀鎖適用于寫比較少的情況下（多讀場景），即沖突真的很少發(fā)生的時候，這樣可以省去了鎖的開銷，加大了系統(tǒng)的吞吐量。但如果是多寫的情況，一般會經(jīng)常發(fā)生沖突，這就會導(dǎo)致CAS算法會不斷的進行retry，這樣反倒是降低了性能，所以一般多寫的場景下用悲觀鎖就比較合適。

CAS指令和具體源代碼

原子類例如AtomicInteger里的方法都很簡單，我們看一下getAndIncrement方法：

//該方法功能是Interger類型加1
public final int getAndIncrement() {
        //主要看這個getAndAddInt方法
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
    }

//var1 是this指針
//var2 是地址偏移量
//var4 是自增的數(shù)值，是自增1還是自增N
public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
        int var5;
        do {
            //獲取內(nèi)存值，這是內(nèi)存值已經(jīng)是舊的，假設(shè)我們稱作期望值E
            var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
            //compareAndSwapInt方法是重點，
            //var5是期望值，var5 + var4是要更新的值
            //這個操作就是調(diào)用CAS的JNI,每個線程將自己內(nèi)存里的內(nèi)存值M
            //與var5期望值E作比較，如果相同將內(nèi)存值M更新為var5 + var4,否則做自旋操作
        } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));

        return var5;
    }

解釋一下getAndAddInt方法的流程：

假設(shè)有一下情景：

A、B兩個線程
jvm主內(nèi)存的值1，A、B工作內(nèi)存的值為1（工作內(nèi)存會拷貝一份主內(nèi)存的值）
當(dāng)前期望值為1，做加1操作
此時var5 = 1，var4 = 1；
1. A線程將var5與工作內(nèi)存值M比較，比較var5是否等于1
2. 如果相同則將工作內(nèi)存值修改為var5 + var4 即修改為2并同步到駐村，此時this + valueOffset指針里，示例變量value的值就是2，結(jié)束循環(huán)
3. 如果不相同，則是B線程修改了主內(nèi)存的值，說明B線程已經(jīng)先于A線程做了加1操作，A線程沒有更新成功需要繼續(xù)循環(huán)，注意此時var5更新為新的內(nèi)存值，假設(shè)當(dāng)前的內(nèi)存值是2，那么此時var5 = 2，var + var4 = 3，重復(fù)上述步驟直到成功（自旋），成功之后，內(nèi)存地址中的值就改變?yōu)?

CAS優(yōu)缺點

優(yōu)點

非阻塞的輕量級的樂觀鎖，通過CPU指令實現(xiàn)，在資源競爭不激烈的情況下性能高，相比synchronized重量鎖，synchronized會進行比較復(fù)雜的加鎖、解鎖和喚醒操作。

缺點

ABA問題：線程C、D；線程D將A修改為B后又修改為A，此時C線程以為A沒有改變過，java的原子類AtomicStampedReference，通過控制變量值的版本號來保證CAS的正確性。具體解決思路就是在變量前追加上版本號，每次變量更新的時候把版本號加一，那么A - B - A就會變成1A - 2B - 3A。

自旋時間過長，消耗CPU資源，如果資源競爭激烈，多線程自旋長時間消耗資源

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深入理解CAS（樂觀鎖）