1. 什么是CAS？

CAS 全名 compare and swap （比較并交換）是一種基于 Java 實(shí)現(xiàn)的 計(jì)算機(jī)代數(shù)系統(tǒng)，用于多線程并發(fā)編程時(shí)數(shù)據(jù)在無鎖的情況下保證線程安全安全運(yùn)行。

CAS機(jī)制 主要用于對(duì)一個(gè)變量（操作）進(jìn)行原子性的操作，它包含三個(gè)參數(shù)值：需要進(jìn)行操作的變量A、變量的舊值B、即將要更改的新值C。

CAS機(jī)制 會(huì)對(duì)當(dāng)前內(nèi)存中的 A 進(jìn)行判斷看是否等同于 B ，如果相等則把 A 值更改為 C ，否則不進(jìn)行操作。以下為 CAS 操作的一段偽代碼：

        boolean CAS(A,B,C) {
            if (&A == B) {
                &A = C;
                return true;
            }
            return false;
        }

當(dāng)然，以上代碼不具有原子性只是簡(jiǎn)單理解 CAS 的判定以及返回機(jī)制。真正的 CAS 只是一條 CPU 指令，相比于上述代碼具有原子性 。

在了解 CAS 的基本判定后下面我們來看如何通過 Java 標(biāo)準(zhǔn)庫來運(yùn)用 CAS 。

2. CAS的應(yīng)用

2.1 實(shí)現(xiàn)原子類

CAS 可以不加鎖保證操作的原子性，Java 標(biāo)準(zhǔn)庫提供了 Atomic + 包裝類，相關(guān)的組合類來實(shí)現(xiàn)原子操作，這些類都是在 java.util.concurrent.atomic 包底下的。

以常用的 AtomicInteger 類來舉例，AtomicInteger 類底下的 getAndIncrement 方法達(dá)到的效果就是自增類似于 i++ 操作，getAndDecrement 方法就是自減類似于 i-- 操作。

因此 AtomicInteger 類常見的方法有：

• getAndIncrement 方法，自增操作，類似于 i++。
• getAndDecrement 方法，自減操作，類似于 i--。
• get 方法，獲取當(dāng)前 AtomicInteger 類引用的值。

當(dāng)然，Atomic + 其他“數(shù)值”包裝類也能使用以上方法！

代碼案例，不使用 synchronized 的情況下保證一個(gè)線程自增5000，另一個(gè)線程也自增5000，最后返回兩線程之和10000：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //初始化number為0
        AtomicInteger number = new AtomicInteger(0);
        //線程1使number自增5000次
        Thread thread1 = new Thread(()->{
            for (int i = 0; i < 5000; i++) {
                number.getAndIncrement();
            }
        });
        //線程2也使number自增5000次（在線程1執(zhí)行后）
        Thread thread2 = new Thread(()->{
            for (int i = 0; i < 5000; i++) {
                number.getAndIncrement();
            }
        });
        thread1.start();//啟動(dòng)線程1
        thread2.start();//啟動(dòng)線程2
        thread1.join();//等待線程1執(zhí)行完畢
        thread2.join();//等下線程2執(zhí)行完畢
        System.out.println(number.get());//輸出number的值
    }

 運(yùn)行后打印：

以上代碼，在不使用鎖（synchronized）的情況下保證了線程的安全性。其底層運(yùn)用的就是 CAS 機(jī)制，getAndIncrement 方法的具體實(shí)現(xiàn)，我們可以參考以下 偽代碼 來理解：

class MyAtomicInteger {
    private int value;
    public int getAndIncrement() {
        int oldValue = value;
        while (CAS(value,oldValue,oldValue + 1) != true) {
            oldValue = value;
        }
        return oldValue;
    }
}

假設(shè) getAndIncrement 方法被兩個(gè)線程同時(shí)調(diào)用，線程1 和 線程2 的 oldValue 值都為 0，內(nèi)存中的 value 值為0。

1）線程1 進(jìn)入了 getAndIncrement 方法，此時(shí)線程1進(jìn)行 CAS 判定，發(fā)現(xiàn)線程1的 oldValue = value，就把 value 進(jìn)行自增。

2） 線程2 進(jìn)入了 getAndIncrement 方法，此時(shí) 線程2 進(jìn)行 CAS 判定，發(fā)現(xiàn) oldValue != value，進(jìn)入 while 循環(huán)，把 value 賦值給 old Value。

3）經(jīng)過以上判斷后，線程2 再次進(jìn)行 CAS 判斷時(shí)，發(fā)現(xiàn) oldValue = value 了，此時(shí)的 value 值又會(huì)自增。

以上的 偽代碼 就能實(shí)現(xiàn)一個(gè)原子類，里面的 getAndIncrement 方法也是具備原子性的。通過上述圖例就能很好的理解。

2.2 實(shí)現(xiàn)自旋鎖

CAS的自旋鎖指的是在使用CAS操作時(shí)，當(dāng)CAS操作失敗后，線程不直接阻塞等待，而是繼續(xù)嘗試執(zhí)行CAS操作，即對(duì)前一次CAS操作的失敗進(jìn)行重試，直到CAS操作成功為止。

自旋鎖的意思是程序使用循環(huán)來等待特定條件的實(shí)現(xiàn)方式，相較于傳統(tǒng)的阻塞鎖，自旋鎖不會(huì)使線程進(jìn)入阻塞狀態(tài)，因此避免了線程上下文切換帶來的開銷。通常，當(dāng)線程競(jìng)爭(zhēng)的資源空閑等待的時(shí)間不長(zhǎng)，自旋鎖是一種比較高效的同步機(jī)制。

CAS 自旋鎖體現(xiàn)：一段 偽代碼 ：

public class SpinLock {
  private Thread owner = null;
  public void lock(){
    // 通過 CAS 看當(dāng)前鎖是否被某個(gè)線程持有.
    // 如果這個(gè)鎖已經(jīng)被別的線程持有, 那么就自旋等待.
    // 如果這個(gè)鎖沒有被別的線程持有, 那么就把 owner 設(shè)為當(dāng)前嘗試加鎖的線程.
    while(!CAS(this.owner, null, Thread.currentThread())){
   }
 }
  public void unlock (){
    this.owner = null;
 }
}

Thread.currentThread() 為當(dāng)前對(duì)象的引用，以上代碼進(jìn)行 CAS 判定時(shí)：

如果判斷 this.owner 為空，則把當(dāng)前對(duì)象的引用賦值給 this.owner。此時(shí) CAS 方法返回 true，并取反，while 循環(huán)退出。判斷 this.owner 不為空，則不做任何操作，CAS 方法返回 false，并取反，while 循環(huán)繼續(xù)執(zhí)行。由于 while 循環(huán)體內(nèi)沒有任何內(nèi)容，while 條件判斷會(huì)執(zhí)行很快，直到 this.owner 加鎖成功為止。

這就是自旋鎖的體現(xiàn)，關(guān)于鎖的策略在本專欄中有詳細(xì)講解。大家可以前去查找。

3. CAS的ABA問題

ABA 問題是：當(dāng)線程1首先讀取到共享變量值A(chǔ)。然后線程2先把這個(gè)共享變量值修改為B，再修改回A。

此時(shí)其他線程再進(jìn)行 CAS 操作時(shí)誤以為共享變量值沒有被修改過，從而成功的將共享變量更改為新值。

但實(shí)際過程中共享變量經(jīng)歷了 由 A 變?yōu)?B，再由 B 變?yōu)?A，這樣就可能會(huì)導(dǎo)致一些問題。

類似于，網(wǎng)上購買一部二手機(jī)。買的時(shí)候，賣家說是零件完好，到手后才發(fā)現(xiàn)是一部翻新機(jī)。這樣就會(huì)導(dǎo)致手機(jī)用不了幾天就出問題。至于到手之前，賣家不說是識(shí)別不出這部手機(jī)的好壞的。

3.1 ABA問題可能引起的BUG

ABA 問題，就是 CAS 機(jī)制導(dǎo)致的數(shù)據(jù)反復(fù)橫跳。

假設(shè)，張三要去 ATM 取錢，張三余額有 1000 元，他要取 500 元。他安排兩個(gè)線程，線程1 和 線程2 來并發(fā)執(zhí)行取錢操作。

預(yù)期效果：線程1 執(zhí)行取錢操作判斷余額為 1000，執(zhí)行余額 -500 操作，此時(shí)余額 500，線程2 處于阻塞等待狀態(tài)。當(dāng) 線程2 執(zhí)行取錢操作判斷余額不是 1000 不執(zhí)行 -500 操作。

ABA問題出現(xiàn)：線程 1 執(zhí)行取錢操作判斷余額為 1000，執(zhí)行余額 -500 操作，此時(shí)余額 500，線程2 阻塞等待狀態(tài)。突然，張三的朋友給他轉(zhuǎn)賬了 500 ，此時(shí) 余額又變回了 1000。

線程2 進(jìn)入取錢操作時(shí)，判斷余額為 1000 元，執(zhí)行余額 -500 操作，此時(shí)余額剩余 500。這就是 ABA 問題造成的后果，張三回家后打開手機(jī)查看余額剩余 500，實(shí)際張三被 ABA 問題坑了 500元。

3.2 解決ABA問題

CAS 操作，是將需要改變的值 A 與舊值 B 進(jìn)行比較，相等則把新值 C 賦值給 A ，否則不做改變。解決 CAS 出現(xiàn) ABA 問題，我們可以引入一個(gè)版本號(hào)，比較版本號(hào)是否符合預(yù)期。

比如在網(wǎng)上購買一部二手機(jī)，賣家會(huì)將手機(jī)的翻新程度進(jìn)行一個(gè)版本號(hào)標(biāo)記，翻新1次記版本號(hào)1，翻新2次的記版本號(hào)2，以此類推。這時(shí)候，客戶會(huì)根據(jù)版本號(hào)來選擇翻新程度相應(yīng)的手機(jī)。

• 當(dāng)版本號(hào)和讀到的版本號(hào)相等，則修改數(shù)據(jù)，并把版本號(hào) + 1。
• 當(dāng)版本號(hào)高于讀到的版本號(hào)，就操作失?。ㄕJ(rèn)為數(shù)據(jù)已經(jīng)被修改過了）

根據(jù)以下 偽代碼 來理解：

num = 0;
version = 1;
old = version;
CAS(version,old,old+1,num);
public void CAS(version,oldVersion,oldVersion+1,num){
    if(version == oldVersion) {
        version = oldVersion + 1;
        num++;
    }
}

對(duì)以上代碼進(jìn)行一個(gè)講解， version 作為版本號(hào)，當(dāng) version 版本號(hào)等于讀到的 oldVersion 版本號(hào)，則把 oldVersion +1 賦值給 version，并且 num ++ 。這樣就能避免 ABA 問題的出現(xiàn)。

當(dāng)然，Java 中 提供了一個(gè) AtomicStampedReference<>類，這個(gè)類可以對(duì)某個(gè)類進(jìn)行保證，這樣就能提供上述的版本號(hào)管理功能。

public class TestDemo {
    private static final AtomicStampedReference<Integer> sharedValue = new AtomicStampedReference<>(10, 0);
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            int expectedStamp = sharedValue.getStamp();
            int newValue = 20;
            sharedValue.compareAndSet(10, newValue, expectedStamp, expectedStamp + 1);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " updated sharedValue to " + newValue);
        }, "Thread-1");
        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            int expectedStamp = sharedValue.getStamp();
            int oldValue = sharedValue.getReference();
            int newValue = 30;
            sharedValue.compareAndSet(oldValue, newValue, expectedStamp, expectedStamp + 1);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " updated sharedValue to " + newValue);
        }, "Thread-2");
        thread1.start();
        thread1.join();
        thread2.start();
        thread2.join();
        System.out.println("final value: " + sharedValue.getReference());
    }
}

運(yùn)行后打印：

以上代碼，共享變量的初始值為10，然后線程1將共享變量的值修改為20，線程2將共享變量的值修改為30。由于AtomicStampedReference類包含版本號(hào)信息，因此即使共享變量的值在這個(gè)過程中發(fā)生了ABA的變化，CAS操作也可以正常進(jìn)行，不會(huì)出現(xiàn)誤判現(xiàn)象。

談?wù)勀銓?duì) CAS 機(jī)制的理解？

CAS 全稱 compare and swap 即比較并交換，它通過一個(gè)原子的操作完成“讀取內(nèi)存，比較是否相等，修改內(nèi)存”這三個(gè)步驟，本質(zhì)上需要 CPU 指令的支持。

ABA 問題如何解決？

我們可以給修改的數(shù)據(jù)加上一個(gè)版本號(hào)，初始化當(dāng)前版本號(hào)與舊的版本號(hào)相等。判斷當(dāng)前版本號(hào)如果等于舊版本號(hào)則對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，并使版本號(hào)自增。判斷當(dāng)前版本號(hào)大于舊版本號(hào)，則不進(jìn)行任何操作。

到此這篇關(guān)于Java多線程之CAS機(jī)制詳解的文章就介紹到這了,更多相關(guān)CAS機(jī)制詳解內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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