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大话CAS

1. 无锁的概念

在谈论无锁概念时，总会关联起乐观派与悲观派，对于乐观派而言，他们认为事情总会往好的方向发展，总是认为坏的情况发生的概率特别小，可以无所顾忌地做事，但对于悲观派而言，他们总会认为发展事态如果不及时控制，以后就无法挽回了，即使无法挽回的局面几乎不可能发生。这两种派系映射到并发编程中就如同加锁与无锁的策略，即加锁是一种悲观策略，无锁是一种乐观策略，因为对于加锁的并发程序来说，它们总是认为每次访问共享资源时总会发生冲突，因此必须对每一次数据操作实施加锁策略。而无锁则总是假设对共享资源的访问没有冲突，线程可以不停执行，无需加锁，无需等待，一旦发现冲突，无锁策略则采用一种称为CAS的技术来保证线程执行的安全性，这项CAS技术就是无锁策略实现的关键，下面我们进一步了解CAS技术的奇妙之处。

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2. 什么是CAS

CAS（Compare and Swap），即比较并替换，是用于实现多线程同步的原子指令。

执行函数：CAS(V,E,N)

其包含3个参数

V表示要更新的变量

E表示预期值

N表示新值

假定有两个操作A和B，如果从执行A的线程来看，当另一个线程执行B时，要么将B全部执行完，要么完全不执行B，那么A和B对彼此来说是原子的。

实现原子操作可以使用锁，锁机制，满足基本的需求是没有问题的了，但是有的时候我们的需求并非这么简单，我们需要更有效，更加灵活的机制，synchronized关键字是基于阻塞的锁机制，也就是说当一个线程拥有锁的时候，访问同一资源的其它线程需要等待，直到该线程释放锁，

这里会有些问题：首先，如果被阻塞的线程优先级很高很重要怎么办？其次，如果获得锁的线程一直不释放锁怎么办？（这种情况是非常糟糕的）。还有一种情况，如果有大量的线程来竞争资源，那CPU将会花费大量的时间和资源来处理这些竞争，同时，还有可能出现一些例如死锁之类的情况，最后，其实锁机制是一种比较粗糙，粒度比较大的机制，相对于像计数器这样的需求有点儿过于笨重。

实现原子操作还可以使用当前的处理器基本都支持CAS的指令，只不过每个厂家所实现的算法并不一样，每一个CAS操作过程都包含三个运算符：一个内存地址V，一个期望的值A和一个新值B，操作的时候如果这个地址上存放的值等于这个期望的值A，则将地址上的值赋为新值B，否则不做任何操作。

CAS的基本思路就是，如果这个地址上的值和期望的值相等，则给其赋予新值，否则不做任何事儿，但是要返回原值是多少。循环CAS就是在一个循环里不断的做cas操作，直到成功为止。

CAS是怎么实现线程的安全呢？语言层面不做处理，我们将其交给硬件—CPU和内存，利用CPU的多处理能力，实现硬件层面的阻塞，再加上volatile变量的特性即可实现基于原子操作的线程安全。

3. CPU指令对CAS的支持

或许我们可能会有这样的疑问，假设存在多个线程执行CAS操作并且CAS的步骤很多，有没有可能在判断V和E相同后，正要赋值时，切换了线程，更改了值。造成了数据不一致呢？答案是否定的，因为CAS是一种系统原语，原语属于操作系统用语范畴，是由若干条指令组成的，用于完成某个功能的一个过程，并且原语的执行必须是连续的，在执行过程中不允许被中断，也就是说CAS是一条CPU的原子指令，不会造成所谓的数据不一致问题。

4. 悲观锁，乐观锁

说到CAS，不得不提到两个专业词语：悲观锁，乐观锁。我们先来看看什么是悲观锁，什么是乐观锁。

4.1 悲观锁

顾名思义，就是比较悲观的锁，总是假设最坏的情况，每次去拿数据的时候都认为别人会修改，所以每次在拿数据的时候都会上锁，这样别人想拿这个数据就会阻塞直到它拿到锁（共享资源每次只给一个线程使用，其它线程阻塞，用完后再把资源转让给其它线程）。传统的关系型数据库里边就用到了很多这种锁机制，比如行锁，表锁等，读锁，写锁等，都是在做操作之前先上锁。Java中synchronized和ReentrantLock等独占锁就是悲观锁思想的实现。

4.2 乐观锁

反之，总是假设最好的情况，每次去拿数据的时候都认为别人不会修改，所以不会上锁，但是在更新的时候会判断一下在此期间别人有没有去更新这个数据，可以使用版本号机制和CAS算法实现。乐观锁适用于多读的应用类型，这样可以提高吞吐量，像数据库提供的类似于write_condition机制，其实都是提供的乐观锁。我们今天讲的CAS就是乐观锁。

由于CAS操作属于乐观派，它总认为自己可以成功完成操作，当多个线程同时使用CAS操作一个变量时，只有一个会胜出，并成功更新，其余均会失败，但失败的线程并不会被挂起，仅是被告知失败，并且允许再次尝试，当然也允许失败的线程放弃操作。基于这样的原理，CAS操作即使没有锁，同样知道其他线程对共享资源操作影响，并执行相应的处理措施。同时从这点也可以看出，由于无锁操作中没有锁的存在，因此不可能出现死锁的情况，也就是说无锁操作天生免疫死锁。

5. CAS 的优点

非阻塞的轻量级乐观锁, 通过CPU指令实现, 在资源竞争不激烈的情况下性能高, 相比synchronize重量级悲观锁, synchronize有复杂的加锁, 解锁和唤醒线程操作.。

6. 三大问题

6.1 ABA问题

假设这样一种场景，当第一个线程执行CAS(V,E,U)操作，在获取到当前变量V，准备修改为新值U前，另外两个线程已连续修改了两次变量V的值，使得该值又恢复为旧值，这样的话，我们就无法正确判断这个变量是否已被修改过，如下图

因为CAS需要在操作值的时候，检查值有没有发生变化，如果没有发生变化则更新，但是如果一个值原来是A，变成了B，又变成了A，那么使用CAS进行检查时会发现它的值没有发生变化，但是实际上却变化了。

就像上图描述的一样，线程A原来的值是10，线程B修改为了20，但是线程C又将值修改为了10，这个时候线程A来读取了，与旧值做判断，发现还是10，没有修改过，就做了更新操作，但是我们知道，值有过变更。

这就是典型的CAS的ABA问题，一般情况这种情况发生的概率比较小，可能发生了也不会造成什么问题，比如说我们对某个做加减法，不关心数字的过程，那么发生ABA问题也没啥关系。但是在某些情况下还是需要防止的，那么该如何解决呢？在Java中解决ABA问题，我们可以使用以下两个原子类。

6.1.1 AtomicStampedReference

AtomicStampedReference原子类是一个带有时间戳的对象引用，在每次修改后，AtomicStampedReference不仅会设置新值而且还会记录更改的时间。当AtomicStampedReference设置对象值时，对象值以及时间戳都必须满足期望值才能写入成功，这也就解决了反复读写时，无法预知值是否已被修改的窘境，测试demo如下

public class ABADemo {

    static AtomicInteger atIn = new AtomicInteger(100);

    //初始化时需要传入一个初始值和初始时间
    static AtomicStampedReference atomicStampedR =
            new AtomicStampedReference(200,0);


    static Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            //更新为200
            atIn.compareAndSet(100, 200);
            //更新为100
            atIn.compareAndSet(200, 100);
        }
    });


    static Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            boolean flag=atIn.compareAndSet(100,500);
            System.out.println("flag:"+flag+",newValue:"+atIn);
        }
    });


    static Thread t3 = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            int time=atomicStampedR.getStamp();
            //更新为200
            atomicStampedR.compareAndSet(100, 200,time,time+1);
            //更新为100
            int time2=atomicStampedR.getStamp();
            atomicStampedR.compareAndSet(200, 100,time2,time2+1);
        }
    });


    static Thread t4 = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            int time = atomicStampedR.getStamp();
            System.out.println("sleep 前 t4 time:"+time);
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            boolean flag=atomicStampedR.compareAndSet(100,500,time,time+1);
            System.out.println("flag:"+flag+",newValue:"+atomicStampedR.getReference());
        }
    });

    public static  void  main(String[] args) throws InterruptedException {
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();

        t3.start();
        t4.start();
        /**
         * 输出结果:
         flag:true,newValue:500
         sleep 前 t4 time:0
         flag:false,newValue:200
         */
    }
}

对比输出结果可知，AtomicStampedReference类确实解决了ABA的问题，下面我们简单看看其内部实现原理

public class AtomicStampedReference {
    //通过Pair内部类存储数据和时间戳
    private static class Pair {
        final T reference;
        final int stamp;
        private Pair(T reference, int stamp) {
            this.reference = reference;
            this.stamp = stamp;
        }
        static  Pair of(T reference, int stamp) {
            return new Pair(reference, stamp);
        }
    }
    //存储数值和时间的内部类
    private volatile Pair pair;

    //构造器，创建时需传入初始值和时间初始值
    public AtomicStampedReference(V initialRef, int initialStamp) {
        pair = Pair.of(initialRef, initialStamp);
    }
}

接着看看其compareAndSet方法的实现：

public boolean compareAndSet(V   expectedReference,
                                 V   newReference,
                                 int expectedStamp,
                                 int newStamp) {
        Pair current = pair;
        return
            expectedReference == current.reference &&
            expectedStamp == current.stamp &&
            ((newReference == current.reference &&
              newStamp == current.stamp) ||
             casPair(current, Pair.of(newReference, newStamp)));
    }

同时对当前数据和当前时间进行比较，只有两者都相等是才会执行casPair()方法，单从该方法的名称就可知是一个CAS方法，最终调用的还是Unsafe类中的compareAndSwapObject方法

private boolean casPair(Pair cmp, Pair val) {
        return UNSAFE.compareAndSwapObject(this, pairOffset, cmp, val);
    }

到这我们就很清晰AtomicStampedReference的内部实现思想了，通过一个键值对Pair存储数据和时间戳，在更新时对数据和时间戳进行比较，只有两者都符合预期才会调用Unsafe的compareAndSwapObject方法执行数值和时间戳替换，也就避免了ABA的问题。

6.1.2 AtomicMarkableReference

AtomicMarkableReference与AtomicStampedReference不同的是，AtomicMarkableReference维护的是一个boolean值的标识，也就是说至于true和false两种切换状态，经过测试，这种方式并不能完全防止ABA问题的发生，只能减少ABA问题发生的概率。

public class ABADemo {
    static AtomicMarkableReference atMarkRef =
              new AtomicMarkableReference(100,false);

 static Thread t5 = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            boolean mark=atMarkRef.isMarked();
            System.out.println("mark:"+mark);
            //更新为200
            System.out.println("t5 result:"+atMarkRef.compareAndSet(atMarkRef.getReference(), 200,mark,!mark));
        }
    });

    static Thread t6 = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            boolean mark2=atMarkRef.isMarked();
            System.out.println("mark2:"+mark2);
            System.out.println("t6 result:"+atMarkRef.compareAndSet(atMarkRef.getReference(), 100,mark2,!mark2));
        }
    });

    static Thread t7 = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            boolean mark=atMarkRef.isMarked();
            System.out.println("sleep 前 t7 mark:"+mark);
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            boolean flag=atMarkRef.compareAndSet(100,500,mark,!mark);
            System.out.println("flag:"+flag+",newValue:"+atMarkRef.getReference());
        }
    });

    public static  void  main(String[] args) throws InterruptedException {        
        t5.start();t5.join();
        t6.start();t6.join();
        t7.start();

        /**
         * 输出结果:
         mark:false
         t5 result:true
         mark2:true
         t6 result:true
         sleep 前 t5 mark:false
         flag:true,newValue:500 ---->成功了.....说明还是发生ABA问题
         */
    }
}

AtomicMarkableReference的实现原理与AtomicStampedReference类似。到此，我们也明白了如果要完全杜绝ABA问题的发生，我们应该使用AtomicStampedReference原子类更新对象，而对于AtomicMarkableReference来说只能减少ABA问题的发生概率，并不能杜绝。

6.2 循环时间长开销大

自旋CAS如果长时间不成功，会给CPU带来非常大的执行开销。

6.3 只能保证一个共享变量的原子操作

当对一个共享变量执行操作时，我们可以使用循环CAS的方式来保证原子操作，但是对多个共享变量操作时，循环CAS就无法保证操作的原子性，这个时候就可以用锁。

还有一个取巧的办法，就是把多个共享变量合并成一个共享变量来操作。比如，有两个共享变量i＝2，j=a，合并一下ij=2a，然后用CAS来操作ij。从Java 1.5开始，JDK提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性，就可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作。

本文由传智教育博学谷教研团队发布。

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