CAS分析

一：概述

        CAS，Compare And Swap，即比较并交换。在Java多并非的操作中，很多地方都用到了CAS操作，如AQS同步组件、Atomic原子类操作都是以CAS实现的，甚至concurrentHashMap在版本1.8中也调用了CAS+Synchronized。可以说CAS在JUC中举足轻重。

二：CAS分析

      在CAS中有三个参数：内存中存放的值V，旧的预期值A，和要更新的值B，当且仅当V == A 的时候，才会进行V = B操作，否则什么都不干。可以看下其伪代码

if(this.value == A){
     this.value = B;
     return false;
 }else{
     return false;
 }

在Atomic原子类操作都用到了CAS，看下下面AtomicInteger中使用CAS。

 private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
 private static final long valueOffset;

 static {
      try {
          valueOffset = unsafe.objectFieldOffset(AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
        } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
    }

 private volatile int value;

Unsafe是CAS的核心类，Java无法直接访问底层操作系统，而是通过本地（native）方法来访问。不过尽管如此，JVM还是开了一个后门：Unsafe，它提供了硬件级别的原子操作。

valueOffset为变量值在内存中的偏移地址，unsafe就是通过偏移地址来得到数据的原值的。

value当前值，使用volatile修饰，保证多线程环境下看见的是同一个。

可以看下AtomicInteger中的addAndGet()方法的实现源代码

public final int addAndGet(int delta) {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta) + delta;
    }

    public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
        int var5;
        do {
            var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
        } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));

        return var5;
    }

再看下其内部调用的getAndInt()方法，在其方法中又调用了compareAndSwapInt()方法，这里就是实现CAS。

public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);

首先要了解这个方法的几个参数代表的是什么，以此代表：对象、对象存放的地址、预期值、修改值。

CAS可以保证一次的读-改-写操作是原子操作，在单处理器上该操作容易实现，但是在多处理器上实现就有点儿复杂了。

CPU提供了两种方法来实现多处理器的原子操作：总线加锁或者缓存加锁

总线加锁：总线加锁就是就是使用处理器提供的一个LOCK#信号，当一个处理器在总线上输出此信号时，其他处理器的请求将被阻塞住,那么该处理器可以独占使用共享内存。但是这种处理方式显得有点儿霸道，不厚道，他把CPU和内存之间的通信锁住了，在锁定期间，其他处理器都不能其他内存地址的数据，其开销有点儿大。

缓存加锁：其实针对于上面那种情况我们只需要保证在同一时刻对某个内存地址的操作是原子性的即可。缓存加锁就是缓存在内存区域的数据如果在加锁期间，当它执行锁操作写回内存时，处理器不在输出LOCK#信号，而是修改内部的内存地址，利用缓存一致性协议来保证原子性。缓存一致性机制可以保证同一个内存区域的数据仅能被一个处理器修改，也就是说当CPU1修改缓存行中的i时使用缓存锁定，那么CPU2就不能同时缓存了i的缓存行。

 

CAS存在的缺陷

CAS虽然能够高效地解决了原子操作，但是还是存在一些缺陷的，主要表现在三个方法：循环时间太长、只能保证一个共享变量原子操作、还有就是典型的ABA问题。

循环时间太长：如果CAS一直不成功呢？这种情况绝对有可能发生，如果自旋CAS长时间地不成功，则会给CPU带来非常大的开销。在JUC中有些地方就限制了CAS自旋的次数，例如BlockingQueue的SynchronousQueue。

只能保证一个共享变量原子操作：看了CAS的实现就知道这只能针对一个共享变量，如果是多个共享变量就只能使用锁了，当然如果你有办法把多个变量整成一个变量，利用CAS也不错。例如读写锁中state的高地位

ABA问题：CAS需要检查操作值有没有发生改变，如果没有发生改变则更新。但是存在这样一种情况：如果一个值原来是A，变成了B，然后又变成了A，那么在CAS检查的时候会发现没有改变，但是实质上它已经发生了改变，这就是所谓的ABA问题。对于ABA问题其解决方案是加上版本号，即在每个变量都加上一个版本号，每次改变时加1，即A —> B —> A，变成1A —> 2B —> 3A。