全面了解Java中的CAS机制

前言

在看到java锁机制的时候，无意中看到了cas这个词，然后在百度查找cas看了很多文章始终没有看的太懂，今天又在google上查找了一些资料，才算是真正弄清楚了cas机制。

什么是cas

在jdk 1.5中增加的一个最主要的支持是atomic类，比如说atomicinteger, atomiclong，这些类可帮助最大限度地减少在多线程中对于一些基本操作（例如，增加或减少多个线程之间共享的值）的复杂性。而这些类的实现都依赖于cas（compare and swap）的算法。

乐观锁和悲观锁

cpu是时分复用的，也就是把cpu的时间片，分配给不同的thread/process轮流执行，时间片与时间片之间，需要进行cpu切换，也就是会发生进程的切换。切换涉及到清空寄存器，缓存数据。然后重新加载新的thread所需数据。当一个线程被挂起时，加入到阻塞队列，在一定的时间或条件下，在通过notify()，notifyall()唤醒回来。在某个资源不可用的时候，就将cpu让出，把当前等待线程切换为阻塞状态。等到资源(比如一个共享数据）可用了，那么就将线程唤醒，让他进入runnable状态等待cpu调度。这就是典型的悲观锁的实现。独占锁是一种悲观锁，synchronized就是一种独占锁，它假设最坏的情况，并且只有在确保其它线程不会造成干扰的情况下执行，会导致其它所有需要锁的线程挂起，等待持有锁的线程释放锁。

但是，由于在进程挂起和恢复执行过程中存在着很大的开销。当一个线程正在等待锁时，它不能做任何事，所以悲观锁有很大的缺点。举个例子，如果一个线程需要某个资源，但是这个资源的占用时间很短，当线程第一次抢占这个资源时，可能这个资源被占用，如果此时挂起这个线程，可能立刻就发现资源可用，然后又需要花费很长的时间重新抢占锁，时间代价就会非常的高。

乐观锁思路就是，每次不加锁而是假设没有冲突而去完成某项操作，如果因为冲突失败就重试，直到成功为止。某个线程可以不让出cpu,而是一直while循环，如果失败就重试，直到成功为止。所以，当数据争用不严重时，乐观锁效果更好。比如cas就是一种乐观锁思想的应用。

cas（compare and swap ）算法

cas中有三个核心参数：

1.主内存中存放的v值，所有线程共享。

2.线程上次从内存中读取的v值a存放在线程的帧栈中，每个线程私有。

3.需要写入内存中并改写v值的b值。也就是线程对a值操作后放入到主存v中。

上面说的比较抽象，看下面的这幅图比较容易理解。

如上图中，主存中保存v值，线程中要使用v值要先从主存中读取v值到线程的工作内存a中，然后计算后变成b值，最后再把b值写回到内存v值中。多个线程共用v值都是如此操作。cas的核心是在将b值写入到v之前要比较a值和v值是否相同，如果不相同证明此时v值已经被其他线程改变，重新将v值赋给a，并重新计算得到b，如果相同，则将b值赋给v。

如果不使用cas机制，看看存在什么问题，假如v=1，现在thread1要对v进行加1，thread2也要对v进行加1，首先thread1读取v=1到自己工作内存a中此时a=1，假设thread2此时也读取v=1到自己的工作内存a中，分别进行加1操作后，两个线程中b的值都为2，此时写回到v中时发现v的值为2，但是两个线程分别对v进行加处理结果却只加了1有问题。

cas核心代码

if （a==v）
{
  v = b
  return b;
}  
 else
  return v;

上面的操作是原子操作，现在来看看如果两个线程同时要对v进行加1操作使用上面的cas机制后能不能获得正确结果。

①thread 1和thread2 要对v进行加1，thread1和thread2同时读取v值并且对v执行加1操作。

初始值 v=1，a=0, b=0。

②假设thread1，thread 2先读取v值赋给a，并且对a进行加1，得到b=2。

v=1，t1_a=1，t1_b=2；t2_a=1

thread1要将t1_b写入v中，先要执行cas操作：

if （t1_a==v）
{
  v = t1_b
  return t1_b;
}  
 else
  return v;

因为t1_a=1=v，所以执行 v=t1_b=2，此时v=2。

③thread2也要对v执行加操作。执行加操作之后

v=2 ，t2_a=1,t2_b=2，

当thread2要将t2_b值写要v中之前要执行cas操作，

if （t2_a==v）
{
  v = t2_b
  return t2_b;
}  
 else
  return v;

此时t2_a=1，v=2, t2_a!=v,这时候返回v=2，给t2_a，t2_a=v=2，然后再次对t2_a进行加1，得到t2_b，此时t2_b=3，t2_a=2，比较t2_a==v，所以将t2_b的值赋给t2_v，t2_v=t2_b=3。最后结果为3。正确。

cas中的aba问题

如果一开始位置v得到的旧值是a，当进行赋值操作时再次读取发现仍然是a，并不能说明变量没有被其它线程改变过。有可能是其它线程将变量改为了b，后来又改回了a。大部分情况下aba问题不会影响程序并发的正确性，如果要解决aba问题，用传统的互斥同步可能比原子类更高效。

aba问题的解决办法

1.在变量前面追加版本号：每次变量更新就把版本号加1，则a-b-a就变成1a-2b-3a。

2.atomic包下的atomicstampedreference类：其compareandset方法首先检查当前引用是否等于预期引用，并且当前标志是否等于预期标志，如果全部相等，则以原子方式将该引用的该标志的值设置为给定的更新值。

以上这篇全面了解java中的cas机制就是小编分享给大家的全部内容了，希望能给大家一个参考，也希望大家多多支持。