前言

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在看到Java鎖機(jī)制的時(shí)候，無意中看到了CAS這個(gè)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(jī)制。

什么是CAS

在jdk 1.5中增加的一個(gè)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(gè)線程之間共享的值）的復(fù)雜性。而這些類的實(shí)現(xiàn)都依賴于CAS（compare and swap）的算法。

樂觀鎖和悲觀鎖

cpu是時(shí)分復(fù)用的，也就是把cpu的時(shí)間片，分配給不同的thread/process輪流執(zhí)行，時(shí)間片與時(shí)間片之間，需要進(jìn)行cpu切換，也就是會發(fā)生進(jìn)程的切換。切換涉及到清空寄存器，緩存數(shù)據(jù)。然后重新加載新的thread所需數(shù)據(jù)。當(dāng)一個(gè)線程被掛起時(shí)，加入到阻塞隊(duì)列，在一定的時(shí)間或條件下，在通過notify()，notifyAll()喚醒回來。在某個(gè)資源不可用的時(shí)候，就將cpu讓出，把當(dāng)前等待線程切換為阻塞狀態(tài)。等到資源(比如一個(gè)共享數(shù)據(jù)）可用了，那么就將線程喚醒，讓他進(jìn)入runnable狀態(tài)等待cpu調(diào)度。這就是典型的悲觀鎖的實(shí)現(xiàn)。獨(dú)占鎖是一種悲觀鎖，synchronized就是一種獨(dú)占鎖，它假設(shè)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(zhí)行，會導(dǎo)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(jìn)程掛起和恢復(fù)執(zhí)行過程中存在著很大的開銷。當(dāng)一個(gè)線程正在等待鎖時(shí)，它不能做任何事，所以悲觀鎖有很大的缺點(diǎn)。舉個(gè)例子，如果一個(gè)線程需要某個(gè)資源，但是這個(gè)資源的占用時(shí)間很短，當(dāng)線程第一次搶占這個(gè)資源時(shí)，可能這個(gè)資源被占用，如果此時(shí)掛起這個(gè)線程，可能立刻就發(fā)現(xiàn)資源可用，然后又需要花費(fèi)很長的時(shí)間重新?lián)屨兼i，時(shí)間代價(jià)就會非常的高。

樂觀鎖思路就是，每次不加鎖而是假設(shè)沒有沖突而去完成某項(xiàng)操作，如果因?yàn)闆_突失敗就重試，直到成功為止。某個(gè)線程可以不讓出cpu,而是一直while循環(huán)，如果失敗就重試，直到成功為止。所以，當(dāng)數(shù)據(jù)爭用不嚴(yán)重時(shí)，樂觀鎖效果更好。比如CAS就是一種樂觀鎖思想的應(yīng)用。

CAS（Compare and Swap ）算法

CAS中有三個(gè)核心參數(shù)：

1.主內(nèi)存中存放的V值，所有線程共享。

2.線程上次從內(nèi)存中讀取的V值A(chǔ)存放在線程的幀棧中，每個(gè)線程私有。

3.需要寫入內(nèi)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(nèi)存A中，然后計(jì)算后變成B值，最后再把B值寫回到內(nèi)存V值中。多個(gè)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(shí)V值已經(jīng)被其他線程改變，重新將V值賦給A，并重新計(jì)算得到B，如果相同，則將B值賦給V。

如果不使用CAS機(jī)制，看看存在什么問題，假如V=1，現(xiàn)在Thread1要對V進(jìn)行加1，Thread2也要對V進(jìn)行加1，首先Thread1讀取V=1到自己工作內(nèi)存A中此時(shí)A=1，假設(shè)Thread2此時(shí)也讀取V=1到自己的工作內(nèi)存A中，分別進(jìn)行加1操作后，兩個(gè)線程中B的值都為2，此時(shí)寫回到V中時(shí)發(fā)現(xiàn)V的值為2，但是兩個(gè)線程分別對V進(jìn)行加處理結(jié)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(xiàn)在來看看如果兩個(gè)線程同時(shí)要對V進(jìn)行加1操作使用上面的CAS機(jī)制后能不能獲得正確結(jié)果。

①Thread 1和Thread2 要對V進(jìn)行加1，Thread1和Thread2同時(shí)讀取v值并且對V執(zhí)行加1操作。

初始值 v=1，A=0, B=0。

②假設(shè)Thread1，Thread 2先讀取V值賦給A，并且對A進(jìn)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(zhí)行CAS操作：

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

因?yàn)門1_A=1=V，所以執(zhí)行 V=T1_B=2，此時(shí)V=2。

③Thread2也要對V執(zhí)行加操作。執(zhí)行加操作之后

V=2 ，T2_A=1,T2_B=2，

當(dāng)Thread2要將T2_B值寫要V中之前要執(zhí)行CAS操作，

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

此時(shí)T2_A=1，V=2, T2_A!=V,這時(shí)候返回V=2，給T2_A，T2_A=V=2，然后再次對T2_A進(jìn)行加1，得到T2_B，此時(shí)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(jié)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(dāng)進(jìn)行賦值操作時(shí)再次讀取發(fā)現(xiàn)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(fā)的正確性，如果要解決ABA問題，用傳統(tǒng)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(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的該標(biāo)志的值設(shè)置為給定的更新值。

以上這篇全面了解Java中的CAS機(jī)制就是小編分享給大家的全部內(nèi)容了，希望能給大家一個(gè)參考，也希望大家多多支持創(chuàng)新互聯(lián)。