【CAS原理概述】

概述

CAS（Compare-And-Swap/Compare-And-Set）是一种用于实现同步的原子性操作，广泛应用于多线程和无锁数据结构中。是基于乐观锁的思想。

工作原理

基本操作数：

1、内存位置（V）：要修改的变量。

2、期望值（E）：当前的预期值。

3、新值（N）：希望将变量更新为的值。

基本操作步骤：

• 检查内存位置的当前值是否等于期望值E。
• 如果相等，则将内存位置的值更新为N。
• 如果不想等，则不修改内存位置的值，并且操作返回失败。

CAS为什么是原子性

1、硬件支持：

CPU提供了专门的原子指令，是由若干条指令组成的，执行必须是连续的，在执行过程中不允许被中断，在CAS操作期间，其他线程无法看到操作的中间状态，从而避免竞争。

2、总线锁定：

CPU 通过锁定内存总线或缓存行，防止其他线程或核心访问该变量，确保操作的唯一性。

CAS的问题

ABA问题

ABA问题：在操作过程中，变量的值经过多次变化后又恢复为原来的值。这可能导致CAS操作在判断变量值是否发生变化时出现错误。例如：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问题案例：https://blog.youkuaiyun.com/q1372302825/article/details/138904053

解决方法：

添加版本号或时间戳辅助CAS操作。

JDK1.5开始atomic包提供了一个类AtomicStampedReference来解决ABA问题，其中的compareAndSet方法首先比较当前引用，随后比较标志位，全部相等才认为相等。

package java.util.concurrent.atomic;

public class AtomicStampedReference<V>{

    private static class Pair<T> {
        final T reference;
        final int stamp;
        private Pair(T reference, int stamp) {
            this.reference = reference;
            this.stamp = stamp;
        }
    }

    public boolean compareAndSet(V expectedReference, V newReference, int expectedStamp, int newStamp) {
        Pair<V> current = pair;
        //引用与标志位均相等则执行cas操作，casPair中调用了UnSafe类的CAS方法，UnSafe中是调用的底层CAS指令。
        return  expectedReference == current.reference &&
                expectedStamp == current.stamp &&
                ((newReference == current.reference && newStamp == current.stamp) 
                 ||
                 casPair(current, Pair.of(newReference,newStamp)));
                
    }
}

自旋开销大

CAS操作在进行比较和交换时，需要在循环中进行自旋，直到成功为止。自旋次数的多少会直接影响系统的性能和资源消耗。如果自旋次数过少，可能会导致CAS操作频繁失败，增加了系统开销；如果自旋次数过多，可能会浪费系统资源。在实际应用中，需要根据具体情况权衡自旋次数，以达到性能和资源消耗的平衡。

只能保证一个共享变量的原子性

CAS只能保证单个共享变量的原子操作，对于涉及多个共享变量的复合操作，CAS无法提供直接的支持。

对于多个共享变量操作，Java提供了一些原子类（如AtomicInteger、AtomicLong、AtomicReference等），它们封装了底层的CAS操作，可以实现多个共享变量的原子操作。这些原子类提供了一些常见的原子操作方法，如compareAndSet、getAndSet等，可以保证多个变量之间的操作是原子的，上面提到的AtomicReference也是一种解决办法，其保证引用对象之间的原子性，可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作。

使用示例

import java.util.concurrent.atomic.AtomicStampedReference;

public class ABASolutionExample {
    private static AtomicStampedReference<Integer> counter = new AtomicStampedReference<>(0, 0);

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            int expectedValue = counter.getReference();
            int newStamped = counter.getStamp() + 1;
            int newValue = expectedValue + 1;
            boolean updated = counter.compareAndSet(expectedValue, newValue, 0, newStamped);
            System.out.println("线程1 更新结果：" + updated);
        }).start();

        new Thread(() -> {
            int expectedValue = counter.getReference();
            int newStamped = counter.getStamp() + 1;
            int newValue = expectedValue + 1;
            boolean updated = counter.compareAndSet(expectedValue, newValue, 0, newStamped);
            System.out.println("线程2 更新结果：" + updated);
        }).start();
    }
}