這篇文章給大家分享的是有關(guān)java中CAS是什么的內(nèi)容。小編覺得挺實(shí)用的，因此分享給大家做個(gè)參考，一起跟隨小編過來看看吧。
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Java并發(fā)編程系列番外篇C A S（Compare and swap），文章風(fēng)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(fā)編程必不可少的基礎(chǔ)知識，面試時(shí)C A S也是個(gè)高頻考點(diǎn)，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。
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(tǒng)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(nèi)存值更新為新值，但是有個(gè)條件，內(nèi)存值必須與期望值相同，并且C A S操作無需用戶態(tài)與內(nèi)核態(tài)切換，直接在用戶態(tài)對內(nèi)存進(jìn)行讀寫操作（意味著不會阻塞/線程上下文切換）。
它包含3個(gè)參數(shù)C A S（V，E，N），V表示待更新的內(nèi)存值，E表示預(yù)期值，N表示新值，當(dāng) V值等于E值時(shí)，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(gè)期望值，也就是你認(rèn)為這個(gè)變量現(xiàn)在應(yīng)該是什么樣子的，如果變量不是你想象的那樣，說明它已經(jīng)被別人修改過了，你只需要重新讀取，設(shè)置新期望值，再次嘗試修改就好了。
原子性是指一個(gè)或者多個(gè)操作在C P U執(zhí)行的過程中不被中斷的特性，要么執(zhí)行，要不執(zhí)行，不能執(zhí)行到一半（不可被中斷的一個(gè)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（B U S）是計(jì)算機(jī)組件間的傳輸數(shù)據(jù)方式，也就是說C P U與其他組件連接傳輸數(shù)據(jù)，就是靠總線完成的，比如C P U對內(nèi)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(dāng)C P U在總線上輸出LOCK#信號時(shí)，其他C P U的總線請求將被阻塞。
總線鎖定方式雖然保證了原子性，但是在鎖定期間，會導(dǎo)致大量阻塞，增加系統(tǒng)的性能開銷，所以現(xiàn)代C P U為了提升性能，通過鎖定范圍縮小的思想設(shè)計(jì)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(jìn)行鎖定，當(dāng)緩存行中的共享變量回寫到內(nèi)存時(shí)，其他C P U會通過總線嗅探機(jī)制感知該共享變量是否發(fā)生變化，如果發(fā)生變化，讓自己對應(yīng)的共享變量緩存行失效，重新從內(nèi)存讀取最新的數(shù)據(jù)，緩存鎖定是基于緩存一致性機(jī)制來實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)榫彺嬉恢滦詸C(jī)制會阻止兩個(gè)以上C P U同時(shí)修改同一個(gè)共享變量（現(xiàn)代C P U基本都支持和使用緩存鎖定機(jī)制）。
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(yōu)越的性能，但是C A S同樣存在缺點(diǎn)。
C A S的問題如下
只能保證一個(gè)共享變量的原子操作
自旋時(shí)間太長（建立在自旋鎖的基礎(chǔ)上）
ABA問題
C A S只能針對一個(gè)共享變量使用，如果多個(gè)共享變量就只能使用鎖了，當(dāng)然如果你有辦法把多個(gè)變量整成一個(gè)變量，利用C A S也不錯，例如讀寫鎖中state的高低位。
當(dāng)一個(gè)線程獲取鎖時(shí)失敗，不進(jìn)行阻塞掛起，而是間隔一段時(shí)間再次嘗試獲取，直到成功為止，這種循環(huán)獲取的機(jī)制被稱為自旋鎖(spinlock)。
自旋鎖好處是，持有鎖的線程在短時(shí)間內(nèi)釋放鎖，那些等待競爭鎖的線程就不需進(jìn)入阻塞狀態(tài)（無需線程上下文切換/無需用戶態(tài)與內(nèi)核態(tài)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(tài)和內(nèi)核態(tài)的切換消耗。
自旋鎖壞處顯而易見，線程在長時(shí)間內(nèi)持有鎖，等待競爭鎖的線程一直自旋，即CPU一直空轉(zhuǎn)，資源浪費(fèi)在毫無意義的地方，所以一般會限制自旋次數(shù)。
最后來說自旋鎖的實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)自旋鎖可以基于C A S實(shí)現(xiàn)，先定義lockValue對象默認(rèn)值1，1代表鎖資源空閑，0代表鎖資源被占用，代碼如下
重慶分公司
重慶分公司
public class SpinLock {
//lockValue 默認(rèn)值1
private AtomicInteger lockValue = new AtomicInteger(1);
//自旋獲取鎖
public void lock(){
// 循環(huán)檢測嘗試獲取鎖
while (!tryLock()){
// 空轉(zhuǎn)
}
}
//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(shí)現(xiàn)的Integer原子操作類，還定義了3個(gè)函數(shù)lock、tryLock、unLock
tryLock函數(shù)-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(zhí)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(shù)-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(zhí)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(shù)-自旋獲取鎖
執(zhí)行tryLock函數(shù)，返回true停止，否則一直循環(huán)
從上圖可以看出，只有tryLock成功的線程（把lockValue更新為0），才會執(zhí)行代碼塊，其他線程個(gè)tryLock自旋等待lockValue被更新成1，tryLock成功的線程執(zhí)行unLock（把lockValue更新為1），自旋的線程才會tryLock成功。
C A S需要檢查待更新的內(nèi)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(gè)值原來是A，變成了B，然后又變成了A，在C A S檢查的時(shí)候會發(fā)現(xiàn)沒有被修改。
假設(shè)有兩個(gè)線程，線程1讀取到內(nèi)存值A，線程1時(shí)間片用完，切換到線程2，線程2也讀取到了內(nèi)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(fù)運(yùn)行，它發(fā)現(xiàn)內(nèi)存值還是A，然后執(zhí)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(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，確實(shí)不會有什么問題，如果是復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為例，兩個(gè)線程通過C A S去刪除頭節(jié)點(diǎn)，假設(shè)現(xiàn)在鏈表有A->B節(jié)點(diǎn)
線程1刪除A節(jié)點(diǎn)，B節(jié)點(diǎn)成為頭節(jié)點(diǎn)，正要執(zhí)行C A S(A,A,B)時(shí)，時(shí)間片用完，切換到線程2
線程2刪除A、B節(jié)點(diǎn)
線程2加入C、A節(jié)點(diǎn)，鏈表節(jié)點(diǎn)變成A->C
線程1重新獲取時(shí)間片，執(zhí)行C A S(A,A,B)
丟失C節(jié)點(diǎn)
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(shí)加1，即A —> B —> A，變成1A —> 2B —> 3A，在Java中提供了AtomicStampedRdference可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)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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