java中CAS是什么

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前言

Java并發編程系列番外篇C A S（Compare and swap），文章風格依然是圖文并茂，通俗易懂，讓讀者們也能與面試官瘋狂對線。

C A S作為并發編程必不可少的基礎知識，面試時C A S也是個高頻考點，所以說C A S是必知必會，本文將帶讀者們深入理解C A S。

大綱

C A S基本概念

C A S（compareAndSwap）也叫比較交換，是一種無鎖原子算法，映射到操作系統就是一條cmpxchg硬件匯編指令（保證原子性），其作用是讓C P U將內存值更新為新值，但是有個條件，內存值必須與期望值相同，并且C A S操作無需用戶態與內核態切換，直接在用戶態對內存進行讀寫操作（意味著不會阻塞/線程上下文切換）。

它包含3個參數C A S（V，E，N），V表示待更新的內存值，E表示預期值，N表示新值，當 V值等于E值時，才會將V值更新成N值，如果V值和E值不等，不做更新，這就是一次C A S的操作。

簡單說，C A S需要你額外給出一個期望值，也就是你認為這個變量現在應該是什么樣子的，如果變量不是你想象的那樣，說明它已經被別人修改過了，你只需要重新讀取，設置新期望值，再次嘗試修改就好了。

C A S如何保證原子性

原子性是指一個或者多個操作在C P U執行的過程中不被中斷的特性，要么執行，要不執行，不能執行到一半（不可被中斷的一個或一系列操作）。

為了保證C A S的原子性，C P U提供了下面兩種方式

• 總線鎖定

• 緩存鎖定

總線鎖定

總線（B U S）是計算機組件間的傳輸數據方式，也就是說C P U與其他組件連接傳輸數據，就是靠總線完成的，比如C P U對內存的讀寫。

總線鎖定是指C P U使用了總線鎖，所謂總線鎖就是使用C P U提供的LOCK#信號，當C P U在總線上輸出LOCK#信號時，其他C P U的總線請求將被阻塞。

緩存鎖定

總線鎖定方式雖然保證了原子性，但是在鎖定期間，會導致大量阻塞，增加系統的性能開銷，所以現代C P U為了提升性能，通過鎖定范圍縮小的思想設計出了緩存行鎖定（緩存行是C P U高速緩存存儲的最小單位）。

所謂緩存鎖定是指C P U對緩存行進行鎖定，當緩存行中的共享變量回寫到內存時，其他C P U會通過總線嗅探機制感知該共享變量是否發生變化，如果發生變化，讓自己對應的共享變量緩存行失效，重新從內存讀取最新的數據，緩存鎖定是基于緩存一致性機制來實現的，因為緩存一致性機制會阻止兩個以上C P U同時修改同一個共享變量（現代C P U基本都支持和使用緩存鎖定機制）。

C A S的問題

C A S和鎖都解決了原子性問題，和鎖相比沒有阻塞、線程上下文你切換、死鎖，所以C A S要比鎖擁有更優越的性能，但是C A S同樣存在缺點。

C A S的問題如下

• 只能保證一個共享變量的原子操作

• 自旋時間太長（建立在自旋鎖的基礎上）

• ABA問題

只能保證一個共享變量原子操作

C A S只能針對一個共享變量使用，如果多個共享變量就只能使用鎖了，當然如果你有辦法把多個變量整成一個變量，利用C A S也不錯，例如讀寫鎖中state的高低位。

自旋時間太長

當一個線程獲取鎖時失敗，不進行阻塞掛起，而是間隔一段時間再次嘗試獲取，直到成功為止，這種循環獲取的機制被稱為自旋鎖(spinlock)。

自旋鎖好處是，持有鎖的線程在短時間內釋放鎖，那些等待競爭鎖的線程就不需進入阻塞狀態（無需線程上下文切換/無需用戶態與內核態切換），它們只需要等一等（自旋），等到持有鎖的線程釋放鎖之后即可獲取，這樣就避免了用戶態和內核態的切換消耗。

自旋鎖壞處顯而易見，線程在長時間內持有鎖，等待競爭鎖的線程一直自旋，即CPU一直空轉，資源浪費在毫無意義的地方，所以一般會限制自旋次數。

最后來說自旋鎖的實現，實現自旋鎖可以基于C A S實現，先定義lockValue對象默認值1，1代表鎖資源空閑，0代表鎖資源被占用，代碼如下

public class SpinLock {
    
    //lockValue 默認值1
    private AtomicInteger lockValue = new AtomicInteger(1);
    
    //自旋獲取鎖
    public void lock(){

        // 循環檢測嘗試獲取鎖
        while (!tryLock()){
            // 空轉
        }

    }
    
    //獲取鎖
    public boolean tryLock(){
        // 期望值1，更新值0，更新成功返回true，更新失敗返回false
        return lockValue.compareAndSet(1,0);
    }
    
    //釋放鎖
    public void unLock(){
        if(!lockValue.compareAndSet(1,0)){
            throw new RuntimeException("釋放鎖失敗");
        }
    }

}

上面定義了AtomicInteger類型的lockValue變量，AtomicInteger是Java基于C A S實現的Integer原子操作類，還定義了3個函數lock、tryLock、unLock

tryLock函數-獲取鎖

• 期望值1，更新值0

• C A S更新

• 如果期望值與lockValue值相等，則lockValue值更新為0，返回true，否則執行下面邏輯

• 如果期望值與lockValue值不相等，不做任何更新，返回false

unLock函數-釋放鎖

• 期望值0，更新值1

• C A S更新

• 如果期望值與lockValue值相等，則lockValue值更新為1，返回true，否則執行下面邏輯

• 如果期望值與lockValue值不相等，不做任何更新，返回false

lock函數-自旋獲取鎖

• 執行tryLock函數，返回true停止，否則一直循環

從上圖可以看出，只有tryLock成功的線程（把lockValue更新為0），才會執行代碼塊，其他線程個tryLock自旋等待lockValue被更新成1，tryLock成功的線程執行unLock（把lockValue更新為1），自旋的線程才會tryLock成功。

ABA問題

C A S需要檢查待更新的內存值有沒有被修改，如果沒有則更新，但是存在這樣一種情況，如果一個值原來是A，變成了B，然后又變成了A，在C A S檢查的時候會發現沒有被修改。

假設有兩個線程，線程1讀取到內存值A，線程1時間片用完，切換到線程2，線程2也讀取到了內存值A，并把它修改為B值，然后再把B值還原到A值，簡單說，修改次序是A->B->A，接著線程1恢復運行，它發現內存值還是A，然后執行C A S操作，這就是著名的ABA問題，但是好像又看不出什么問題。

只是簡單的數據結構，確實不會有什么問題，如果是復雜的數據結構可能就會有問題了（使用AtomicReference可以把C A S使用在對象上），以鏈表數據結構為例，兩個線程通過C A S去刪除頭節點，假設現在鏈表有A->B節點

• 線程1刪除A節點，B節點成為頭節點，正要執行C A S(A,A,B)時，時間片用完，切換到線程2

• 線程2刪除A、B節點

• 線程2加入C、A節點，鏈表節點變成A->C

• 線程1重新獲取時間片，執行C A S(A,A,B)

• 丟失C節點

要解決A B A問題也非常簡單，只要追加版本號即可，每次改變時加1，即A —> B —> A，變成1A —> 2B —> 3A，在Java中提供了AtomicStampedRdference可以實現這個方案（面試只要問了C A S，就一定會問ABA，這塊一定要搞明白）。

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