Java并发编程：什么是CAS？这回总算知道了

无锁的思想

众所周知，java中对并发控制的最常见方法就是锁，锁能保证同一时刻只能有一个线程访问临界区的资源，从而实现线程安全。然而，锁虽然有效，但采用的是一种悲观的策略。它假设每一次对临界区资源的访问都会发生冲突，当有一个线程访问资源，其他线程就必须等待，所以锁是会阻塞线程执行的。

当然，凡事都有两面，有悲观就会有乐观。而无锁就是一种乐观的策略，它假设线程对资源的访问是没有冲突的，同时所有的线程执行都不需要等待，可以持续执行。如果遇到冲突的话，就使用一种叫做cas (比较交换) 的技术来鉴别线程冲突，如果检测到冲突发生，就重试当前操作到没有冲突为止。

cas概述

cas的全称是 compare-and-swap，也就是比较并交换，是并发编程中一种常用的算法。它包含了三个参数：v，a，b。

其中，v表示要读写的内存位置，a表示旧的预期值，b表示新值

cas指令执行时，当且仅当v的值等于预期值a时，才会将v的值设为b，如果v和a不同，说明可能是其他线程做了更新，那么当前线程就什么都不做，最后，cas返回的是v的真实值。

而在多线程的情况下，当多个线程同时使用cas操作一个变量时，只有一个会成功并更新值，其余线程均会失败，但失败的线程不会被挂起，而是不断的再次循环重试。正是基于这样的原理，cas即时没有使用锁，也能发现其他线程对当前线程的干扰，从而进行及时的处理。

cas的应用类

java中提供了一系列应用cas操作的类，这些类位于java.util.concurrent.atomic包下，其中最常用的就是atomicinteger，该类可以看做是实现了cas操作的integer，所以，下面我们就通过学习该类的案例来一窥全貌cas的妙用。

学习atomicinteger之前，我们先来看一段代码实例：

public class atomicdemo {

    public static int number = 0;

    public static void increase() {
        number++;
    }

    public static void main(string[] args) throws interruptedexception {
        atomicdemo test = new atomicdemo();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new thread(() -> {
                for (int j = 0; j < 1000; j++)
                    test.increase();
            }).start();
        }
        thread.sleep(200);
        system.out.println(test.number);
    }
}

在main函数中开启了10个线程，执行后会轮流调用 increase()，当然我们知道，运行后输出的结果肯定不是我们期望的值，因为没有做线程安全的处理，所以10个线程流量操作临界区的资源number就会出错。

解决办法并不难，用我们之前学过的锁，例如synchronized修饰代码块，程序就会正常输出10000。当然，用锁解决并不是我们想要的方式，因为锁会阻塞线程，影响程序的性能，这时候，atomicinteger就可以派上用场了。

将上面的程序改造一下，变成下面这样：

public static atomicinteger number = new atomicinteger(0);

public static void increase() {
    number.getandincrement();
}

public static void main(string[] args) throws interruptedexception {
    atomicdemo test = new atomicdemo();
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        new thread(() -> {
            for (int j = 0; j < 1000; j++)
                test.increase();
        }).start();
    }
    thread.sleep(200);
    system.out.println(test.number);
}

运行main方法，程序输出的就是我们想要的值，也就是10000。

上面的代码中，increase方法里调用了number.getandincrement() ，这是atomicinteger的自增方法，会对当前的值加1，并且返回旧值，点进方法的源码，它调用的是unsafe.getandaddint()方法：

public final int incrementandget() {
    return unsafe.getandaddint(this, valueoffset, 1) + 1;
}

getandaddint的作用是对当前值加1，并返回旧值。

unsafe是unsafe类的一个变量，通过unsafe.getunsafe()来获取

private static final unsafe unsafe = unsafe.getunsafe();

unsafe类是一个比较特殊的类，它是一个jdk内部使用的专属类，用一般的编辑器无法直接查看源码，只能看到反编译后的class文件。

这里要扩展一个知识点，就是java本身无法访问操作系统，需要使用native方法，而unsafe类中的方法就包含了大量的native方法，提高了java对系统底层的原子操作能力。例如我们代码中使用到的getandaddint()底层就是调用一个native方法，用idea点击方法，得到下面反编译后的代码：

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;
}
public final native boolean compareandswapint(object var1, long var2, int var4, int var5);

compareandswapint的作用是比较并交换整数值，如果指定的字段的值等于期望值，也就是cas中的 'a' (预期值)，那么就会把它设置为新值 (cas中的 'b')，不难想象，该方法内部的实现必然是依靠原子操作完成的。除此之外，unsafe类中还提供了其他的原子操作的方法，例如上面源码中的getintvolatile就是使用volatile语义获得给定对象的值，这些方法通过底层的原子操作高效的提升了应用层面的性能。

cas的缺点

虽然cas的性能比起锁要强大很多，但它也存在一些缺点，例如：

1、循环的时间开销大

在getandaddint的方法中，我们可以看到，只是简单的设置一个值却调用了循环，如果cas失败，会一直进行尝试。如果cas长时间不成功，那么循环就会不停的跑，无疑会给系统造成很大的开销。

2、aba问题

前面说过，cas判断变量操作成功的条件是v的值和a是一致的，这个逻辑有个小小的缺陷，就是如果v的值一开始为a，在准备修改为新值前的期间曾经被改成了b，后来又被改回为a，经过两次的线程修改对象的值还是旧值，那么cas操作就会误任务该变量从来没被修改过。这就是cas中的“aba”问题。

当然，"aba"问题也有解决方案，java并发包中提供了一个带有时间戳的对象引用 atomicstampedreference，其内部不仅维护了一个对象值，还维护了一个时间戳，当atomicstampedreference对应的数值被修改时，除了更新数据本身，还需要更新时间戳，只有对象值和时间戳都满足期望值，才能修改成功。这是atomicstampedreference的几个有关时间戳信息的方法：

//比较设置 参数依次为：期望值 写入新值 期望时间戳 新时间戳
public boolean compareandset(v expectedreference, v newreference,
                             int expectedstamp, int newstamp)
//获得当前时间戳
public int getstamp()
//设置当前对象引用和时间戳
public void set(v newreference, int newstamp)