CAS算法(CompareAndSwap)

困惑：刚开始学习并发编程的时候，总会听到一个词：CAS，经常会被其搞懵，不知道CAS到底是什么，用来干什么的，只知道糊里糊涂的理解，感觉懂一点，又感觉少了些什么。所以，为了能彻底搞懂这个玩意儿，写一篇学习笔记谈谈对CAS的理解。

什么是CAS算法

 CAS(CompareAndSwap, 比较并交换)算法其实是计算机硬件对于并发操作共享数据的支持，保证了数据的原子性。

 其实，CAS算法理解起来非常简单，CAS包含三个操作数：内存值 V；预估值(expect) A；更新值(update) B；

1. 比较 A 与 V 是否相等。（比较）
2. 如果比较相等，将 B 写入 V。（交换）
3. 返回操作是否成功。

---

下面是一个简单模拟CAS操作过程的代码：

/**
 * 模拟CAS算法
 *
 */
public class TestCompareAndSwap {

    public static void main(String[] args) {

        final CompareAndSwap cas = new CompareAndSwap();

        for (int i = 0; i < 10; i++) {

            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    int expectedValue = cas.get();
                    boolean b = cas.compareAndSet(expectedValue, (int) (Math.random() * 101));
                    System.out.println(b);
                }
            }).start();

        }

    }

}

class CompareAndSwap {
    //内存值
    private int value;

    //获取内存值
    public synchronized int get() {
        return value;
    }

    //比较
    public synchronized int compareAndSwap(int expectedValue, int newValue) {
        int oldValue = value;

        //判断内存值是否等于预期值，如果相等说明内存值没有被其他线程修改，
        //则将新值赋给内存值。如果不相等，说明内存值已经被其他线程修改过了.
        if (oldValue == expectedValue) {
            this.value = newValue;
        }

        //不管是否成功都会将内存值返回
        return oldValue;
    }

    //设置
    public synchronized boolean compareAndSet(int expectedValue, int newValue) {
        return expectedValue == compareAndSwap(expectedValue, newValue);
    }
}

谈谈原子性

 上面谈到，CAS算法是用来解决并发编程中出现的原子性问题的(微观上看汇编的 CAS 是实现操作系统级别的原子操作的基石。从编程语言角度来看 CAS 是实现多线程非阻塞操作的基石。)，那什么是原子性问题呢？原子性是并发过程中所需处理的三个问题之一(其他两个分别是可见性和有序性)。

 原子本意是“不能被进一步分割的最小粒子”，而原子操作意为“不可被中断的一个或一系列操作”。

 典型的原子性操作即 i++ 操作，我们知道其实在计算机底层的话，i++ 是被分为如下三步的，分别为：“读-改-写”

1. int temp = i;  产生一个临时变量temp，将i的值赋给临时变量temp.
2. i = i + 1;  i+1
3. i = temp;  再将temp的值赋给i

 虽然 i++ 操作在底层被分为了三步进行，但是三步操作是一个原子操作，是不可分割的。但是在并发编程中，由于多个线程对共享变量的访问，就会导致原子性问题，看下面的代码：

public class AtomicDemo implements Runnable {

    private int value = 0;

//    AtomicInteger value = new AtomicInteger(0);

    @Override
    public void run() {

        try {
            Thread.sleep(2000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println(getValue());

    }

    public int getValue() {
//        return value.getAndIncrement();
        return value++;
    }
}

class Test1 {
    public static void main(String[] args) {
        AtomicDemo atomicDemo = new AtomicDemo();

//        synchronized (atomicDemo) {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                new Thread(atomicDemo).start();
            }
//        }
    }
}

结果：
0 0 1 2 4 3 5 6 7 8

既然出现了问题，那怎么解决呢？

• 使用synchronized关键字为代码块或者方法上锁
• 使用JDK 1.5 java.util.concurrent 包中所提供的原子类：这里话做一个说明，一般来说，原子性问题经常出现在对于基本数据类型的多线程访问中，所以JDK专门提供了这个原子包进行处理，当然也不排除有其他的情况。

以其中的 AtomicInteger举例，其中的方法如下：

//构造器
public AtomicInteger()
public AtomicInteger(int initialValue)

//一般方法
public final int get() 获取当前值
public final void set(int newValue) 设置为给定值
public final boolean compareAndSet(int expect, int update)
  如果当前值 == 预期值，则以原子方式将该值设置为给定的更新值。
public final int getAndIncrement() 以原子方式将当前值加 1 i++
public final int getAndDecrement() 以原子方式将当前值减 1 i--
public final int incrementAndGet() 以原子方式将当前值加 1 ++i
public final int decrementAndGet() 以原子方式将当前值减 1 --i
...

下面我们看一下AtomicInteger中的部分源码：

public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
    }

我们发现，其实AtomicInteger的源码实现也是用到了CAS算法。

Java如何实现原子操作

 上面介绍一个简单的原子性问题和两种基本的解决思路：上锁或者使用原子包。那么在Java中是如何实现原子操作的呢？其实下面要讲的也就是上面两种方法，只是做了一点扩充。

 在Java中可以通过锁和循环CAS的方式实现原子操作。

(1)使用循环CAS实现原子操作
 VM中的CAS操作正是利用了处理器提供的CMPXCHG指令实现的。自旋CAS实现的基本思路就是循环进行CAS操作直到成功为止，以下代码实现了一个基于CAS线程安全的计数器方法safeCount和一个非线程安全的计数器count。

public class Counter {
    private AtomicInteger atomicI = new AtomicInteger(0);
    private int i = 0;
    public static void main(String[] args) {
        final Counter cas = new Counter();
        List<Thread> ts = new ArrayList<Thread>(600);
        long start = System.currentTimeMillis();
        for (int j = 0; j < 100; j++) {
            Thread t = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                        cas.count();
                        cas.safeCount();
                    }
                }
            });
            ts.add(t);
        }

        for (Thread t : ts) {
            t.start();
        }
       // 等待所有线程执行完成
        for (Thread t : ts) {
            try {
                t.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        System.out.println(cas.i);
        System.out.println(cas.atomicI.get());
        System.out.println(System.currentTimeMillis() - start);

    }

    /**
     * 使用CAS实现线程安全计数器
     */
    private void safeCount() {
        for (;;) {
            int i = atomicI.get();
            boolean suc = atomicI.compareAndSet(i, ++i);
            if (suc) {
                break;
            }
        }
    }
    /**
     * 非线程安全计数器
     */
    private void count() {
        i++;
    }
}

(2)使用锁机制实现原子操作

 锁机制保证了只有获得锁的线程能够操作锁定的内存区域。JVM内部实现了很多种锁机制，有偏向锁，轻量级锁和互斥锁，有意思的是除了偏向锁，JVM实现锁的方式都用到的循环CAS，当一个线程想进入同步块的时候使用循环CAS的方式来获取锁，当它退出同步块的时候使用循环CAS释放锁。

CAS实现原子操作的三大问题

1. ABA问题。因为CAS需要在操作值的时候检查下值有没有发生变化，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。ABA问题的解决思路就是使用版本号。在变量前面追加上版本号，每次变量更新的时候把版本号加一，那么A－B－A 就会变成1A-2B－3A。
   从Java1.5开始JDK的atomic包里提供了一个类AtomicStampedReference来解决ABA问题。这个类的compareAndSet方法作用是首先检查当前引用是否等于预期引用，并且当前标志是否等于预期标志，如果全部相等，则以原子方式将该引用和该标志的值设置为给定的更新值。

public boolean compareAndSet
        (V      expectedReference,//预期引用
         V      newReference,//更新后的引用
        int    expectedStamp, //预期标志
        int    newStamp) //更新后的标志 {
    Pair<V> current = pair;
    return
        expectedReference == current.reference &&
        expectedStamp == current.stamp &&
         ((newReference == current.reference &&
          newStamp == current.stamp) ||
         casPair(current, Pair.of(newReference, newStamp)));
}

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。如果JVM能支持处理器提供的pause指令那么效率会有一定的提升，pause指令有两个作用，第一它可以延迟流水线执行指令（de-pipeline）,使CPU不会消耗过多的执行资源，延迟的时间取决于具体实现的版本，在一些处理器上延迟时间是零。第二它可以避免在退出循环的时候因内存顺序冲突（memory order violation）而引起CPU流水线被清空（CPU pipeline flush），从而提高CPU的执行效率。

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，或者有一个取巧的办法，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Java1.5开始JDK提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性，你可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作。

参考链接

• http://www.infoq.com/cn/articles/atomic-operation
• https://juejin.im/post/5a75db20f265da4e826320a9