什么是CAS？CAS有什么缺点？

文章目录

- 什么是CAS
- CAS 举例说明
- CAS 底层实现
- CAS缺陷

什么是CAS

CAS 的全称是 Compare And Swap 即比较交换，其算法核心思想如下函数：CAS(V,E,N) 参数：

V 表示要更新的变量
E 预期值
N 新值

如果 V 值等于 E 值，则将 V 的值设为 N。若 V 值和 E 值不同，则说明已经有其他线程做了更新，则当前线程什么都不做。

通俗的理解就是 CAS 操作需要我们提供一个期望值，当期望值与当前线程的变量值相同时，说明还没线程修改该值，当前线程可以进行修改，也就是执行 CAS 操作，但如果期望值与当前线程不符，则说明该值已被其他线程修改，此时不执行更新操作，但可以选择重新读取该变量再尝试再次修改该变量，也可以放弃操作。

我们看一下例子：

在内存地址V当中，存储这值为10的变量

在这里插入图片描述
2. 此时线程1想要把变量的值增加1。对于线程1来说，旧的预期值为E=10,要修改的值 N=11。

3. 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的变量值先更改成了11

在这里插入图片描述
4. 线程1开始提交更新，首先进行E和内存V中实际值比较，发现E不等于V的实际值，提交失败。

在这里插入图片描述
5. 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,E=11,N=12。这个重新尝试的过程被称为自旋。

在这里插入图片描述
6. 这一次没有发现其他线程改变地址V的值。线程1进行Compare ，发现N和地址V的实际值是相等的。

在这里插入图片描述
7.线程1进行swap,把地址V的值替换为N ,也就是12.

在这里插入图片描述

CAS 举例说明


public static int count = 0;public static void main(String[] args) {//for (int i=0;i<5;i++){new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {try{Thread.sleep(1000);}catch (Exception e){}//每个线程当中让count值自增100次for(int j=0;j< 10000;j++){count++;}}}).start();}try{Thread.sleep(2000);}catch (Exception e){}System.out.println("count=="+count);
}

如上示例程序，因为上面代码不是线程安全的，所以最终的结果可能会小于 50000。

那么怎么解决呢？可以加锁(synchronized)。

 public static int count = 0;public static void main(String[] args) {//for (int i=0;i<5;i++){new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {try{Thread.sleep(1000);}catch (Exception e){}//每个线程当中让count值自增100次for(int j=0;j< 10000;j++){synchronized (Demo1.class) {count++;}}}}).start();}try{Thread.sleep(2000);}catch (Exception e){}System.out.println("count=="+count);
}

加了同步锁以后，count自增的操作变成了原子性操作，所以最终的输出一定是count = 50000。

Synchronized 的确保证了线程安全，但是在某些情况下，却不是一个最优选择。

为什么这么说?关键在于性能问题

Synchronized 关键字会让没有得到锁资源的线程进入BLOCKED状态，而后在争夺到锁资源后恢复为RUNNABLED状态，这个过程中设计到的操作系统用户模式和内核模式，代价比较高。

尽管jdk1.6 为Synchronized做了优化，增加了从偏向锁到轻量级锁再到重量级锁的过度，但是在最终转变为重量级锁之后，性能仍然较低

java原子操作类，指的是java.util.concurrent.atomic包下，一些列以Atomic开头的包装类。例如AtomicBoolean、AtomicInteger、AtomicLong。他们分别用于boolean、Integer、Long类型的原子性操作。

现在我们尝试在代码中引入**AtomicInteger **类：

 public static AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);public static void main(String[] args) {//for (int i=0;i<5;i++){new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {try{Thread.sleep(1000);}catch (Exception e){}//每个线程当中让count值自增100次for(int j=0;j< 10000;j++){synchronized (Demo1.class) {count.incrementAndGet();}}}}).start();}try{Thread.sleep(2000);}catch (Exception e){}System.out.println("count=="+count.get());
}

使用AtomicInteger之后，最终的输出结果同样可以保证是50000。并且在某些情况下，代码的性能会比Synchronized更好。

Atomic 操作类的底层，正是利用了CAS机制；

CAS 底层实现

下面看一下AtomicInteger的源代码

public final int incrementAndGet() {for (;;) {int current = get();int next = current + 1;if (compareAndSet(current, next))return next;}
}private volatile int value;
public final int get() {return value;
}

这段代码是一个无限循环，也就是CAS的自旋。循环体当中做了三件事：

获取当前值
当前值+1，计算出目标值
进行CAS操作，如果成功则跳出循环，如果失败则重复上述步骤

这里需要注意的重点是get方法，这个方法的作用是获取变量的当前值。

如何保证获得的当前值时内存中的最新值呢?很简单，用volatile关键字来保证，

可是compareAndSet方法是如何保证原子性操作的呢？？

接下来看一看compareAndSet方法的实现，以及方法所依赖对象的来历：
在这里插入图片描述
compareAndSet方法的实现很简单，只有一行代码。这里涉及到两个重要的对象，一个是unsafe，一个是valueOffset。

**什么是unsafe呢？**Java语言不像C，C++那样可以直接访问底层操作系统，但是JVM为我们提供了一个后门，这个后门就是unsafe。unsafe为我们提供了硬件级别的原子操作。

至于valueOffset对象，是通过unsafe.objectFieldOffset方法得到，所代表的是AtomicInteger对象value成员变量在内存中的偏移量。我们可以简单地把valueOffset理解为value变量的内存地址。

而unsafe的compareAndSwapInt方法参数包括了这三个基本元素：valueOffset参数代表了V，expect参数代表了A，update参数代表了B。

正是unsafe的compareAndSwapInt方法保证了Compare和Swap操作之间的原子性操作。

CAS缺陷

1.ABA 问题

因为CAS需要在操作值的时候，检查值有没有发生变化，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1，那么A→B→A就会变成1A→2B→3A。举个通俗点的例子，你倒了一杯水放桌子上，干了点别的事，然后同事把你水喝了又给你重新倒了一杯水，你回来看水还在，拿起来就喝，如果你不管水中间被人喝过，只关心水还在，这就是ABA问题。
如果你是一个讲卫生讲文明的小伙子，不但关心水在不在，还要在你离开的时候水被人动过没有，因为你是程序员，所以就想起了放了张纸在旁边，写上初始值0，别人喝水前麻烦先做个累加才能喝水。

2.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

2.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。还有一个取巧的办法，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Java 1.5开始，JDK提供了AtomicReference类来保证引用对之间的原子性，就可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作