一、CAS（Compare And Set）

Compare And Set（或Compare And Swap），CAS是解決多線程并行情況下使用鎖造成性能損耗的一種機(jī)制，CAS操作包含三個(gè)操作數(shù)——內(nèi)存位置（V）、預(yù)期原值（A）、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(huì)自動(dòng)將該位置值更新為新值。否則，處理器不做任何操作。無(wú)論哪種情況，它都會(huì)在CAS指令之前返回該位置的值。CAS有效地說(shuō)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(gè)位置；否則，不要更改該位置，只告訴我這個(gè)位置現(xiàn)在的值即可。

​ 在java中可以通過(guò)鎖和循環(huán)CAS的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)原子操作。Java中 java.util.concurrent.atomic包相關(guān)類(lèi)就是 CAS的實(shí)現(xiàn)，atomic包里包括以下類(lèi)：

二、AtomicInteger

AtomicInteger可以用原子方式更新的 int 值。AtomicInteger 可用在應(yīng)用程序中（如以原子方式增加的計(jì)數(shù)器），并且不能用于替換 Integer。但是，此類(lèi)確實(shí)擴(kuò)展了 Number，允許那些處理基于數(shù)字類(lèi)的工具和實(shí)用工具進(jìn)行統(tǒng)一訪問(wèn)。 我們拿 AtomicInteger為例來(lái)學(xué)習(xí)下 CAS操作是如何實(shí)現(xiàn)的。

通常情況下，在 Java中，i++等類(lèi)似操作并不是線程安全的，因?yàn)?i++可分為三個(gè)獨(dú)立的操作：獲取變量當(dāng)前值，為該值+1，然后寫(xiě)回新的值。在沒(méi)有額外資源可以利用的情況下，只能使用加鎖才能保證讀-改-寫(xiě)這三個(gè)操作時(shí)“原子性”的。但是利用加鎖的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)該功能的話，代碼將非常復(fù)雜及難以維護(hù)，如：

synchronized (lock) { 
  i++; 
} 

相關(guān)類(lèi)中還需要增加 Object lock等額外標(biāo)志，這樣就帶來(lái)了很多麻煩，增加了很多業(yè)務(wù)無(wú)關(guān)代碼，給開(kāi)發(fā)與維護(hù)帶來(lái)了不便。
​ 然而利用 atomic包中相關(guān)類(lèi)型就可以很簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)此操作，以下是一個(gè)計(jì)數(shù)程序?qū)嵗?/p>

public class Counter {
  private AtomicInteger ai = new AtomicInteger();
  private int i = 0;
 
  public static void main(String[] args) { 
    final Counter cas = new Counter(); 
    List<Thread> threads = new ArrayList<Thread>();
    // 添加100個(gè)線程 
    for (int j = 0; j < 100; j++) { 
      threads.add(new Thread(new Runnable() {
        public void run() { 
          // 執(zhí)行100次計(jì)算，預(yù)期結(jié)果應(yīng)該是10000 
          for (int i = 0; i < 100; i++) { 
            cas.count(); 
            cas.safeCount(); 
          } 
        } 
      })); 
    } 
    //開(kāi)始執(zhí)行 
    for (Thread t : threads) {
      t.start(); 
    } 
    // 等待所有線程執(zhí)行完成 
    for (Thread t : threads) {
      try { 
        t.join(); 
      } catch (InterruptedException e) { 
        e.printStackTrace(); 
      } 
    } 
    System.out.println("非線程安全計(jì)數(shù)結(jié)果："+cas.i); 
    System.out.println("線程安全計(jì)數(shù)結(jié)果："+cas.ai.get()); 
  } 
 
  /** 使用CAS實(shí)現(xiàn)線程安全計(jì)數(shù)器 */ 
  private void safeCount() { 
    for (;;) { 
      int i = ai.get(); 
      // 如果當(dāng)前值 == 預(yù)期值，則以原子方式將該值設(shè)置為給定的更新值 
      boolean suc = ai.compareAndSet(i, ++i); 
      if (suc) { 
        break; 
      } 
    } 
  } 
  /** 非線程安全計(jì)數(shù)器 */ 
  private void count() { 
    i++; 
  } 
} 
/**
非線程安全計(jì)數(shù)結(jié)果：9942
線程安全計(jì)數(shù)結(jié)果：10000
*/

其中非線程安全計(jì)數(shù)器所計(jì)算的結(jié)果每次都不相同且不正確，而線程安全計(jì)數(shù)器計(jì)算的結(jié)果每次都是正確的。

三、存在的問(wèn)題

CAS雖然很高效的解決原子操作，但是CAS仍然存在三大問(wèn)題：ABA問(wèn)題、循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)開(kāi)銷(xiāo)大、只能保證一個(gè)共享變量的原子操作。

ABA問(wèn)題：因?yàn)镃AS需要在操作值的時(shí)候檢查下值有沒(méi)有發(fā)生變化，如果沒(méi)有發(fā)生變化則更新，但是如果一個(gè)值原來(lái)是A，變成了B，又變成了A，那么使用CAS進(jìn)行檢查時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)它的值沒(méi)有發(fā)生變化，但是實(shí)際上卻變化了。ABA問(wèn)題的解決思路就是使用版本號(hào)。在變量前面追加上版本號(hào)，每次變量更新的時(shí)候把版本號(hào)加一，那么A－B－A 就會(huì)變成1A-2B－3A。 從Java1.5開(kāi)始JDK的 atomic包里提供了一個(gè)類(lèi)AtomicStampedReference 來(lái)解決ABA問(wèn)題。這個(gè)類(lèi)的 compareAndSet方法作用是首先檢查當(dāng)前引用是否等于預(yù)期引用，并且當(dāng)前標(biāo)志是否等于預(yù)期標(biāo)志，如果全部相等，則以原子方式將該引用和該標(biāo)志的值設(shè)置為給定的更新值。

循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)開(kāi)銷(xiāo)大：自旋CAS如果長(zhǎng)時(shí)間不成功，會(huì)給CPU帶來(lái)非常大的執(zhí)行開(kāi)銷(xiāo)。如果JVM能支持處理器提供的pause指令那么效率會(huì)有一定的提升，pause指令有兩個(gè)作用，第一它可以延遲流水線執(zhí)行指令（de-pipeline）,使CPU不會(huì)消耗過(guò)多的執(zhí)行資源，延遲的時(shí)間取決于具體實(shí)現(xiàn)的版本，在一些處理器上延遲時(shí)間是零。第二它可以避免在退出循環(huán)的時(shí)候因內(nèi)存順序沖突（memory order violation）而引起CPU流水線被清空（CPU pipeline flush），從而提高CPU的執(zhí)行效率?！?/p>

只能保證一個(gè)共享變量的原子操作：當(dāng)對(duì)一個(gè)共享變量執(zhí)行操作時(shí)，我們可以使用循環(huán)CAS的方式來(lái)保證原子操作，但是對(duì)多個(gè)共享變量操作時(shí)，循環(huán)CAS就無(wú)法保證操作的原子性，這個(gè)時(shí)候就可以用鎖，或者有一個(gè)取巧的辦法，就是把多個(gè)共享變量合并成一個(gè)共享變量來(lái)操作。比如有兩個(gè)共享變量i＝2,j=a，合并一下ij=2a，然后用CAS來(lái)操作ij。從Java1.5開(kāi)始JDK提供了AtomicReference類(lèi)來(lái)保證引用對(duì)象之間的原子性，你可以把多個(gè)變量放在一個(gè)對(duì)象里來(lái)進(jìn)行CAS操作。

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