java CAS

无锁的概念(开胃概念)

在谈论无锁概念时，总会关联起乐观派与悲观派，对于乐观派而言，他们认为事情总会往好的方向发展，总是认为坏的情况发生的概率特别小，可以无所顾忌地做事，但对于悲观派而已，他们总会认为发展事态如果不及时控制，以后就无法挽回了，即使无法挽回的局面几乎不可能发生。这两种派系映射到并发编程中就如同加锁与无锁的策略，即加锁是一种悲观策略，无锁是一种乐观策略，因为对于加锁的并发程序来说，它们总是认为每次访问共享资源时总会发生冲突，因此必须对每一次数据操作实施加锁策略。而无锁则总是假设对共享资源的访问没有冲突，线程可以不停执行，无需加锁，无需等待，一旦发现冲突，无锁策略则采用一种称为CAS的技术来保证线程执行的安全性，这项CAS技术就是无锁策略实现的关键.

CAS是什么(实现无锁的算法或者思想,或者叫机器指令)

CAS:compare and swap的缩写，中文翻译成比较并交换。

在Java发展初期，java语言是不能够利用硬件提供的这些便利来提升系统的性能的。而随着java不断的发展,Java本地方法(JNI)的出现，使得java程序越过JVM直接调用本地方法提供了一种便捷的方式，因而java在并发的手段上也多了起来。而在Doug Lea提供的cucurenct包中，CAS理论是它实现整个java包的基石。

CAS的目的

利用CPU的CAS指令，同时借助JNI来完成Java的非阻塞算法。其它原子操作都是利用类似的特性完成的。而整个J.U.C都是建立在CAS之上的，因此对于synchronized阻塞算法，J.U.C在性能上有了很大的提升。

CAS存在的问题

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。AtomicStampedReference原子类是一个带有时间戳的对象引用，在每次修改后，AtomicStampedReference不仅会设置新值而且还会记录更改的时间。当AtomicStampedReference设置对象值时，对象值以及时间戳都必须满足期望值才能写入成功，这也就解决了反复读写时，无法预知值是否已被修改的窘境

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。

 模拟一个CAS的简单实现

package com.zhang.myjuc.a5.cas;


/**
 * SimulatedCAS:模拟一个CAS(注意这里只是模拟,和真实的肯定不一样,只是为了方便理解哈)
 *
 * @author zhangxiaoxiang
 * @date 2020/08/18
 */
public class SimulatedCAS {
    private volatile int value;

    public synchronized int compareAndSwp(int expectedValue, int newValue) {
        int oldValue = value;
        //比较compare
        if (oldValue == expectedValue) {
            //并交换Swp
            value = newValue;
        }
        return oldValue;
    }
}

 模拟两个线程并行修改,看CAS的如何处理

package com.zhang.myjuc.a5.cas;

/**
 * TwoThreadsCompetition:多个(2)线程同时修改,看CAS的结果
 * (当然是某个修改成功后另一个就不修改了,即是说比较的时候不满足条件了就不交换了)
 *
 * @author zhangxiaoxiang
 * @date 2020/08/18
 */
public class TwoThreadsCompetition implements Runnable {
    private volatile int value;
    public synchronized int compareAndSwap(int expectedValue, int newValue) {
        int oldValue = value;
        //比较compare
        if (oldValue == expectedValue) {
            //并交换Swp
            value = newValue;
        }
        return oldValue;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        TwoThreadsCompetition r = new TwoThreadsCompetition();
        r.value = 0;
        Thread t1 = new Thread(r, "Thread 1");
        Thread t2 = new Thread(r, "Thread 2");
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        //可以使用idea 进行多线程调试
        System.out.println("运行结果是修改后的值,但是这里不知道是那个线程修改的:  "+r.value);
    }

    @Override
    public void run() {
        compareAndSwap(0, 1);
    }
}