CAS(Compare And Swap) 详解

CAS实例

	class AccountSafe implements Account {
	 	private AtomicInteger balance;
	 	public AccountSafe(Integer balance) {
	 		this.balance = new AtomicInteger(balance);
	 	}
		public Integer getBalance() {
		 	return balance.get();
		}

		public void withdraw(Integer amount) {
		    // 需要不断尝试，直到成功为止
			while (true) {
				// 比如拿到了旧值 1000
				int prev = balance.get();
				
				// 在这个基础上 1000-10 = 990
				int next = prev - amount;

				/*
				 compareAndSet 正是做这个检查，在 set 前，先比较 prev 与当前值
				 - 不一致了，next 作废，返回 false 表示失败
				 比如，别的线程已经做了减法，当前值已经被减成了 990
				 那么本线程的这次 990 就作废了，进入 while 下次循环重试
				 - 一致，以 next 设置为新值，返回 true 表示成功
				 */
				if (balance.compareAndSet(prev, next)) {
					break;
		 		}
			 }
		 		// 可以简化为下面的方法
		 		// balance.addAndGet(-1 * amount);
		 }
	}

过程分析

CAS和volatile的关系

在java层面是原子类，原子类的底层原来是通过CAS实现的。。查看AtomicInteger的源码，因为要使每个线程get()的都是最新的值（即主内存的值），所以需要对该字段使用volatile关键字修饰。

    private volatile int value;

    /**
     * Gets the current value.
     *
     * @return the current value
     */
    public final int get() {
        return value;
    }

CAS的底层原理

其实 CAS 的底层是 lock cmpxchg 指令（X86 架构），在单核 CPU 和多核 CPU 下都能够保证【比较-交换】的原子性。

为什么无锁效率高

• 无锁情况下，即使重试失败，线程始终在高速运行，没有停歇，而 synchronized 会让线程在没有获得锁的时候，发生上下文切换，进入阻塞。打个比喻
• 线程就好像高速跑道上的赛车，高速运行时，速度超快，一旦发生上下文切换，就好比赛车要减速、熄火，等被唤醒又得重新打火、启动、加速… 恢复到高速运行，代价比较大
• 但无锁情况下，因为线程要保持运行，需要额外 CPU 的支持，CPU 在这里就好比高速跑道，没有额外的跑道，线程想高速运行也无从谈起，虽然不会进入阻塞，但由于没有分到时间片，仍然会进入可运行状态，还是会导致上下文切换。
• 总结： 使用多核cpu的支持

CAS 的特点

结合 CAS 和 volatile 可以实现无锁并发，适用于线程数少、多核 CPU 的场景下。

• CAS 是基于乐观锁的思想：最乐观的估计，不怕别的线程来修改共享变量，就算改了也没关系，我吃亏点再重试呗。
• synchronized 是基于悲观锁的思想：最悲观的估计，得防着其它线程来修改共享变量，我上了锁你们都别想改，我改完了解开锁，你们才有机会。
• CAS 体现的是无锁并发、无阻塞并发，请仔细体会这两句话的意思
  • 因为没有使用 synchronized，所以线程不会陷入阻塞，这是效率提升的因素之一
  • 但如果竞争激烈，可以想到重试必然频繁发生，反而效率会受影响