CAS自旋锁

CAS：CompareAndSwap / CompareAndSet 比较和交换

首先聊一聊CAS是个什么概念：CAS字面上理解就是比较和交换。CAS包含三个元素。

1. 期望的旧数据：以上图为例，读取m的值 m=4 ，“4”就是期望的旧数据。

2. 最新的数据：执行m++ 后，m=5 ,"5"就是最新的数据。

3. 内存地址：访问的内存地址，即m存放的地址，后续需要跟改m交换。

为什么叫做期望的旧数据呢？下面说一下CAS的过程。

首先，我们只看上图的左半部分。此时内存中的m=4 ,程序读取m后做m++操作，此时m变成了5。在将m=5更新到内存之前，执行CAS操作，首先判断内存中的数据还是不是为4，程序期望内存中的数据依然为4，即：期望的旧数据（意思就说在我m ++ 操作的过程中，内存中的数据没有被修改过）。CAS比较和交换，此时比较期望的旧数据与内存的数据是否相等，相等，交换内存中的数据，将内存中的数据设置为5，如果此时不相等，说明在我执行m++的过程中，内存中的数据被修改过，重新拉取内存中的数据，重复执行CAS自旋。这就是CAS的自旋操作。

CAS会产生一个ABA问题

我们看上图的右半部分，在我左边的程序执行m++的过程中，我右边的程序同样在操作内存中的m,首先将m改成3，然后将m改成5，最后再将m改成4，右边操作做完了之后，左边的程序此时CAS比较期望的旧数据与内存中的数据，m都是等于4。更新左边程序的结果m=5到内存中。

这就是ABA问题， m=4 看作A ，中间将m修改成其他的值这个就是B，最后再将m改为4 又变成了A。看上去m似乎还是4，但是其实他中间已经被修改过了。如果是基本类型修改前的m=4与修改后的m=4并没有影响。但是如果是引用数据类型，可能其他的变量被修改过了，就会产生问题，此时可以加一个version版本号区分ABA问题中的两个A，比如 第一个Ａ版本为V.01 第二个A版本为V.02，CAS比较两个A相等，此时继续比较版本号，判断版本号不相等，说明内存中的数据被改动过，重新执行CAS自旋。

下面聊聊CAS实际场景

在JUC包下存在这样一种类型的类：AtomicXXX

AtomicInteger,AtomicLong,AtomicDouble 等。

它们内部都维护了CAS自旋锁。下面我们以AtomicInteger为例：

 /**
 * Atomically increments by one the current value.
 *
 * @return the previous value
 */
public final int getAndIncrement() {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
}

/**
 * Atomically decrements by one the current value.
 *
 * @return the previous value
 */
public final int getAndDecrement() {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, -1);
}

可以看到AtomicInteger中有上面两个方法getAndIncrement\getAndDecrement两个原子性的方法，分别是增加1和减少1。

下面我们以getAndIncrement为例，unsafe类调用getAndAddInt方法

public final int getAndAddInt(Object o, long offset, int delta) {
    int v;
    do {
        v = getIntVolatile(o, offset);
    } while (!compareAndSwapInt(o, offset, v, v + delta));
    return v;
}

可以看到whilt条件中有一个compareAndSwapInt方法，这个就是CAS的自旋操作。

/**
 * Atomically update Java variable to <tt>x</tt> if it is currently
 * holding <tt>expected</tt>.
 * @return <tt>true</tt> if successful
 */
public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset,
                                              int expected,
                                              int x);

我们在跟进去，发现CAS是native修饰的方法，CAS自旋是CPU源于支持的方法。