【Java基础】CAS (Compare And Swap) 操作

客官°小女子只卖身不卖艺 2023-10-13 11:26 33阅读 0赞

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#### 目录 ####

*  一、导读
 *  二、概览
 *  三、使用场景
 *  四、原理
 *  五、优劣
 *   *  5.1 缺点：
     *  5.2 优点
 *  六、 推荐阅读

## 一、导读 ##

我们继续总结学习**Java基础知识**，温故知新。

## 二、概览 ##

CAS其实就是Compare And Swap的一个缩写，顾名思义就是比较并交换，其实就是把当前值与你预期的值进行一个比较，是一种用于在多线程环境下实现同步功能的机制。

CAS 操作包含三个操作数 —— 内存位置（V）、预期原值（A）和新值(B)。 如果内存位置的值与预期原值相匹配，那么处理器会自动将该位置值更新为新值 。否则，处理器不做任何操作。  
![在这里插入图片描述][954ba5c01c4f4933aeba699c2d99ae20.png]

CAS是**原子性**的操作(读和写两者同时具有原子性)，是让**CPU比较内存中**某个值是否和预期的值相同，如果相同则将这个值更新为新值，不相同则不做更新.  
**对比交换**是一条CPU的原子指令，其实现方式是基于**硬件平台的汇编指令**。

CAS操作是原子性的，所以多线程并发使用CAS更新数据时，可以不使用锁。

使用volatile关键字可以保证可见性和有序性，但是却没有原子性，比如a++，引入cas就可以解决多线程的原子性问题。

CAS配合volatile来实现许多高并发类  
![在这里插入图片描述][b2b57f9118d440f9888f323555b79749.png]

## 三、使用场景 ##

Java中利用CAS的乐观锁、原子性的特性高效解决了多线程的安全性问题。

CAS这种方式适用于并发量不高的情况。

## 四、原理 ##

实现方式是通过借助**C/C++调用CPU指令**完成的，是一条CPU的原子指令，依赖于系统。

CAS的实现主要在JUC中的atomic包，存放在 java.util.concurrent.atomic 类路径下  
如：自增长 AtomicInteger 等

Java中的CAS操作的执行依赖于Unsafe类，我们看下AtomicInteger的代码:

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
        
        private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
        
        private volatile int value;
          
        public AtomicInteger(int initialValue) {
        
            value = initialValue;
        }
    
        public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
        
            return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
        }
        
    }

CAS配合volatile来实现多线程可见性有序性和原子性。

再看下Unsafe类

public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);

我们进入Unsafe类的native方法compareAndSwapInt，调用UnSafe类中的CAS方法，JVM会帮我们实现出CAS汇编指令，这是一种**完全依赖于硬件**的功能，通过它实现了原子操作。

由于CAS是一种系统原语，原语属于操作系统用于范畴，是由若干条指令组成，用于完成某个功能的一个过程，并且原语的执行必须是连续的，在执行过程中不允许被中断，也就是说**CAS操作是一条CPU的原子指令**，不会造成所谓的数据不一致的问题，所以说CAS是线程安全的。

假如一个线程操作数据，干了一半活，累了，想要去休息。(貌似今天的线程体质都不太好)。于是它记录下当前数据的状态(就是数据的值)，回家睡觉了。 醒来后打算继续接着干活，但是又担心数据可能被修改了，于是就把睡觉前保存的数据状态拿出来和现在的数据状态比较一下，如果一样，说明自己在睡觉期间，数据没有被人动过(当然也有可能是先被改成了其它，然后又改回来了，**这就是ABA问题**了)，那就接着继续干。如果不一样，说明数据已经被修改了，那之前做的那些操作其实都白瞎了，就干脆放弃，从头再重新开始处理一遍。

**所以CAS这种方式适用于并发量不高的情况**，也就是数据被意外修改的可能性较小的情况。如果并发量很高的话，你的数据一定会被修改，每次都要放弃，然后从头再来，这样反而花费的代价更大了，还不如直接加锁呢。

## 五、优劣 ##

### 5.1 缺点： ###

1.  循环时间长开销大（CAS自旋操作）：当内存地址V与预期值B不相等时会一直循环比较,直到相等
2.  只能保证一个共享变量的原子操作，不能保证代码块的原子性。
3.  存在ABA问题

> 并发1（上）：获取出数据的初始值是A，后续计划实施CAS乐观锁，期望数据仍是A的时候，修改才能成功  
> 并发2：将数据修改成B  
> 并发3：将数据修改回A  
> 并发1（下）：CAS乐观锁，检测发现初始值还是A，进行数据修改  
> 并发1在修改数据时，虽然还是A，但已经不是初始条件的A了，  
> 中间发生了A变B，B又变A的变化，此A已经非彼A，数据却成功修改，  
> 可能导致错误，这就是CAS引发的所谓的ABA问题。

> 优化ABA问题：  
> “版本号”的比对，一个数据一个版本，版本变化，即使值相同，也不应该修改成功。  
> 很好解决，再加一个版本号字段就行了，并规定只要修改数据，必须使版本号加1。

### 5.2 优点 ###

*  没有引用锁的概念，并发量不高情况下提高效率
 *  减少线程上下文切换

## 六、 推荐阅读 ##

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