[Java高并发编程]（一）理解CAS
本篇博客根据众多优秀的博客文章整理而来，参考的博客链接请看文章最下方
前言
在java语言之前，并发就已经广泛存在并在服务器领域得到了大量的应用。所以硬件厂商老早就在芯片中加入了大量直至并发操作的原语，从而在硬件层面提升效率。在intel的CPU中，使用cmpxchg指令。
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理论是实现整个java包的基石。
什么是CAS
☛ CAS,compare and swap的缩写，中文翻译成比较并交换，是实现并发算法时常用到的一种技术。
☛ CAS 操作包含三个操作数 —— 内存位置（V）、预期原值（A）和新值(B)。
☛ 如果内存位置V的值与预期原值A相匹配，那么处理器会自动将该位置值更新为新值B并返回true，否则，处理器不做任何操作，并返回B。无论哪种情况，它都会在 CAS 指令之前返回该 位置的值。（在 CAS 的一些特殊情况下将仅返回 CAS 是否成功，而不提取当前 值）CAS 有效地说明了“我认为位置 V 应该包含值 A；如果包含该值，则将 B 放到这个位置；否则，不要更改该位置，只告诉我这个位置现在的值即可”。
☛ 通常将 CAS 用于同步的方式是从地址 V 读取值 A，执行多步计算来获得新 值 B，然后使用 CAS 将 V 的值从 A 改为 B。如果 V 处的值尚未同时更改，则 CAS 操作成功。
CAS的应用
利用CPU的CAS指令，同时借助JNI来完成Java的非阻塞算法，其它原子操作多是利用类似的特性完成的。而整个JUC都是建立在CAS之上的，因此对于synchronized阻塞算法，JUC在性能上有了很大的提升。
非阻塞算法
一个线程的失败或者挂起不应该影响其他线程的失败或挂起的算法。
现代的CPU提供了特殊的指令，可以自动更新共享数据，而且能够检测到其他线程的干扰，而compareAndSet()就用这些代替了锁定。
下面以AtomicInteger的实现为例，分析一下CAS是如何实现的。
public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
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;
public final int get() {return value;}
}- Unfafe，是CAS的核心类，由于Java方法无法直接访问底层系统，需要通过本地（native）方法来访问，Unsafe相当于一个后门，基于该类可以直接操作特定内存的数据。
- 变量valueOffset，表示该变量值在内存中的偏移地址，因为Unsafe就是根据内存偏移地址获取数据的。
- 变量value用volatile修饰，保证了多线程之间的内存可见性。
看看AtomicInteger如何实现并发下的累加操作：
public final int getAndAdd(int delta) {
return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 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;
}假设线程A和线程B同时执行getAndAdd操作（分别跑在不同CPU上）：
- AtomicInteger里面的value原始值为3，即主内存中AtomicInteger的value为3，根据Java内存模型，线程A和线程B各自持有一份value的副本，值为3。
- 线程A通过getIntVolatile(var1, var2)拿到value值3，这时线程A被挂起。
- 线程B也通过getIntVolatile(var1, var2)方法获取到value值3，运气好，线程B没有被挂起，并执行compareAndSwapInt方法比较内存值也为3，成功修改内存值为4。
- 这时线程A恢复，执行compareAndSwapInt方法比较，发现自己手里的值(3)和内存的值(4)不一致，说明该值已经被其它线程提前修改过了，那只能重新来一遍了。
- 重新获取value值，因为变量value被volatile修饰，所以其它线程对它的修改，线程A总是能够看到，线程A继续执行compareAndSwapInt进行比较替换，直到成功。
- 整个过程中，利用CAS保证了对于value的修改的并发安全
换一种方式说明：
- 在内存地址V当中，存储着值为10的变量。
- 此时线程1想要把变量的值增加1。对线程1来说，旧的预期值A=10，要修改的新值B=11
- 在线程1要提交更新之前，另一个线程2抢先一步，把内存地址V中的变量值率先更新成了11。
- 线程1开始提交更新，首先进行A和地址V的实际值比较（Compare），发现A不等于V的实际值，提交失败
- 线程1重新获取内存地址V的当前值，并重新计算想要修改的新值。此时对线程1来说，A=11，B=12。这个重新尝试的过程被称为自旋。
- 这一次比较幸运，没有其他线程改变地址V的值。线程1进行Compare，发现A和地址V的实际值是相等的。
- 线程1进行SWAP，把地址V的值替换为B，也就是12
从思想上来说，Synchronized属于悲观锁，悲观地认为程序中的并发情况严重，所以严防死守。CAS属于乐观锁，乐观地认为程序中的并发情况不那么严重，所以让线程不断去尝试更新。
CAS缺点
CAS虽然很高效的解决原子操作，但是CAS仍然存在三大问题。ABA问题，循环时间长开销大和只能保证一个共享变量的原子操作。
-
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。这个类的compareAndSet方法作用是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和该标志的值设置为给定的更新值。
关于ABA问题参考文档: https://www.cnblogs.com/549294286/p/3766717.html
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。
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。
参考链接：
https://www.jianshu.com/p/fb6e91b013cc
https://blog.csdn.net/hsuxu/article/details/9467651
https://www.cnblogs.com/myopensource/p/8177074.html
https://blog.csdn.net/ls5718/article/details/52563959
推荐阅读