全面了解Java中的CAS機制

前言

在看到Java鎖機制的時候，無意中看到了CAS這個詞，然后在百度查找CAS看了很多文章始終沒有看的太懂，今天又在Google上查找了一些資料，才算是真正弄清楚了CAS機制。

什么是CAS

在jdk 1.5中增加的一個最主要的支持是Atomic類，比如說AtomicInteger, AtomicLong，這些類可幫助最大限度地減少在多線程中對于一些基本操作（例如，增加或減少多個線程之間共享的值）的復雜性。而這些類的實現都依賴于CAS（compare and swap）的算法。

樂觀鎖和悲觀鎖

cpu是時分復用的，也就是把cpu的時間片，分配給不同的thread/process輪流執行，時間片與時間片之間，需要進行cpu切換，也就是會發生進程的切換。切換涉及到清空寄存器，緩存數據。然后重新加載新的thread所需數據。當一個線程被掛起時，加入到阻塞隊列，在一定的時間或條件下，在通過notify()，notifyAll()喚醒回來。在某個資源不可用的時候，就將cpu讓出，把當前等待線程切換為阻塞狀態。等到資源(比如一個共享數據）可用了，那么就將線程喚醒，讓他進入runnable狀態等待cpu調度。這就是典型的悲觀鎖的實現。獨占鎖是一種悲觀鎖，synchronized就是一種獨占鎖，它假設最壞的情況，并且只有在確保其它線程不會造成干擾的情況下執行，會導致其它所有需要鎖的線程掛起，等待持有鎖的線程釋放鎖。

但是，由于在進程掛起和恢復執行過程中存在著很大的開銷。當一個線程正在等待鎖時，它不能做任何事，所以悲觀鎖有很大的缺點。舉個例子，如果一個線程需要某個資源，但是這個資源的占用時間很短，當線程第一次搶占這個資源時，可能這個資源被占用，如果此時掛起這個線程，可能立刻就發現資源可用，然后又需要花費很長的時間重新搶占鎖，時間代價就會非常的高。

樂觀鎖思路就是，每次不加鎖而是假設沒有沖突而去完成某項操作，如果因為沖突失敗就重試，直到成功為止。某個線程可以不讓出cpu,而是一直while循環，如果失敗就重試，直到成功為止。所以，當數據爭用不嚴重時，樂觀鎖效果更好。比如CAS就是一種樂觀鎖思想的應用。

CAS（Compare and Swap ）算法

CAS中有三個核心參數：

1.主內存中存放的V值，所有線程共享。

2.線程上次從內存中讀取的V值A存放在線程的幀棧中，每個線程私有。

3.需要寫入內存中并改寫V值的B值。也就是線程對A值操作后放入到主存V中。

上面說的比較抽象，看下面的這幅圖比較容易理解。

如上圖中，主存中保存V值，線程中要使用V值要先從主存中讀取V值到線程的工作內存A中，然后計算后變成B值，最后再把B值寫回到內存V值中。多個線程共用V值都是如此操作。CAS的核心是在將B值寫入到V之前要比較A值和V值是否相同，如果不相同證明此時V值已經被其他線程改變，重新將V值賦給A，并重新計算得到B，如果相同，則將B值賦給V。

如果不使用CAS機制，看看存在什么問題，假如V=1，現在Thread1要對V進行加1，Thread2也要對V進行加1，首先Thread1讀取V=1到自己工作內存A中此時A=1，假設Thread2此時也讀取V=1到自己的工作內存A中，分別進行加1操作后，兩個線程中B的值都為2，此時寫回到V中時發現V的值為2，但是兩個線程分別對V進行加處理結果卻只加了1有問題。

CAS核心代碼

if （A==V）
{
  V = B
  return B;
}  
 else
  return V;

上面的操作是原子操作，現在來看看如果兩個線程同時要對V進行加1操作使用上面的CAS機制后能不能獲得正確結果。

①Thread 1和Thread2 要對V進行加1，Thread1和Thread2同時讀取v值并且對V執行加1操作。

初始值 v=1，A=0, B=0。

②假設Thread1，Thread 2先讀取V值賦給A，并且對A進行加1，得到B=2。

V=1，T1_A=1，T1_B=2；T2_A=1

Thread1要將T1_B寫入V中，先要執行CAS操作：

if （T1_A==V）
{
  V = T1_B
  return T1_B;
}  
 else
  return V;

因為T1_A=1=V，所以執行 V=T1_B=2，此時V=2。

③Thread2也要對V執行加操作。執行加操作之后

V=2 ，T2_A=1,T2_B=2，

當Thread2要將T2_B值寫要V中之前要執行CAS操作，

if （T2_A==V）
{
  V = T2_B
  return T2_B;
}  
 else
  return V;

此時T2_A=1，V=2, T2_A!=V,這時候返回V=2，給T2_A，T2_A=V=2，然后再次對T2_A進行加1，得到T2_B，此時T2_B=3，T2_A=2，比較T2_A==V，所以將T2_B的值賦給T2_V，T2_V=T2_B=3。最后結果為3。正確。

CAS中的ABA問題

如果一開始位置V得到的舊值是A，當進行賦值操作時再次讀取發現仍然是A，并不能說明變量沒有被其它線程改變過。有可能是其它線程將變量改為了B，后來又改回了A。大部分情況下ABA問題不會影響程序并發的正確性，如果要解決ABA問題，用傳統的互斥同步可能比原子類更高效。

ABA問題的解決辦法

1.在變量前面追加版本號：每次變量更新就把版本號加1，則A-B-A就變成1A-2B-3A。

2.atomic包下的AtomicStampedReference類：其compareAndSet方法首先檢查當前引用是否等于預期引用，并且當前標志是否等于預期標志，如果全部相等，則以原子方式將該引用的該標志的值設置為給定的更新值。

以上這篇全面了解Java中的CAS機制就是小編分享給大家的全部內容了，希望能給大家一個參考，也希望大家多多支持億速云。