CAS

什么是CAS

CAS的全称是Compare-And-Swap，直译就是对比与交换。CAS是一条CPU的原子指令，其作用是让CPU先进行比较两个值是否相等，然后原子地更新某个位置的值。经过调查发现，其实现方式是基于硬件平台的汇编指令，就是说CAS是靠硬件实现的，JVM只是封装了汇编调用，那些AtomicInteger类便是使用了这些封装后的接口。

简单解释：CAS操作需要输入两个数值，一个旧值（期望操作前的值）和一个新值，在操作期间先比较下在旧值有没有发生变化，如果没有发生变化，才交换成新值，发生了变化则不交换

CAS使用举例

在并发线程操作中，比如并发线程累加操作同一个变量500次，但最终的结果一般都到不了500，原因是并发状态下的线程不安全问题

针对这个问题，我们可以将共享的操作变量int换成换成AtomicInteger，这样就能解决问题，其中AtomicInteger实现是使用了CAS操作

CAS问题

CAS方式为乐观锁，synchronized为悲观锁。因此使用CAS解决并发问题通常情况下性能更优

但是CAS仍然存在三大问题：ABA问题、循环开销大、只能保证一个共享变量的原子操作

ABA问题

什么是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，中途变成了B，后来又变成A，那么使用CAS进行检查时会发现它的值没有发生变化，而实际却发生过变化。在大多数的业务场景ABA问题是可以容忍的，但是部分业务就会带来问题。

如：小明去银行取款，银行账户有100元，小明准备取50出来，由于机器不灵，小明多点击了几次取款操作，触发了后台线程A和线程B的工作，此时线程A操作成功（100->50），线程B阻塞。此时正好小明收到了50元的转账且执行成功了（50->100），之后线程B执行了，又执行成功（100->50）。最终小明账户只剩下50元，等于被错误的扣了两次款。

ABA问题的解决思路：使用版本号。再变量前面追加上版本号，每次变量更新的时候吧版本号+1，那么A->B->A就会变成1A->2B->3A。

从Java 1.5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方法的作用是首先检查当前引用是否等于预期引用，并且检查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为给定的更新值

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

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，这个时候可以用锁

原子操作类

原子更新基本类型类

使用原子的方法更新基本类型，Atomic包提供以下3个类

• AtomicBoolean：原子更新布尔类型
• AtomicInteger：原子更新整型
• AtomicLong：原子更新长整型

以上三个类提供的方法几乎一模一样，下面以AtomicInteger为例

• public final int get()：获取当前的值
• public final int getAndSet(int newValue)：获取当前的值，并设置新的值
• public final int getAndIncrement()：获取当前的值，并自增1
• public final int getAndDecrement()：获取当前的值，并自减1
• public final int getAndAdd(int delta)：获取当前的值，并加上预期的值
• void lazySet(int newValue)：最终会设置成newValue，使用lazySet设置值后，可能会导致其他线程在之后的一段时间内还是可以读到旧值

源码解析：AtomicInteger：getAndIncrement()：

 public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {​
private static final long serialVersionUID = 6214790243416807050L;​
​
private static final Unsafe U = Unsafe.getUnsafe();​
private static final long VALUE​
= U.objectFieldOffset(AtomicInteger.class, "value");​
​
private volatile int value;​
​
}​
​
public final int getAndIncrement() {​
return U.getAndAddInt(this, VALUE, 1);​
}​
​
public final int getAndAddInt(Object o, long offset, int delta) {​
int v;​
do {​
v = getIntVolatile(o, offset);​
} while (!weakCompareAndSetInt(o, offset, v, v + delta));​
return v;​
}​
​
public final boolean weakCompareAndSetInt(Object o, long offset,​
int expected,​
int x) {​
return compareAndSetInt(o, offset, expected, x);​
}

分析：可以看到，getAndIncrement操作的自增1操作，最终还是调用的unsafe类提供的compareAndSetInt（CAS）实现的

原子更新数组

通过原子的方式更新数组里的某个元素，Atomic包提供了以下的3个类：

• AtomicIntegerArray：原子更新整型数组里的元素
• AtomicLongArray：原子更新长整型数组里的元素
• AtomicReferenceArray：原子更新引用类型数组里的元素

这三个类的最常用方法是如下两个方法：

get(int index)：获取索引为index1的元素值

compareAndSet(int i,E except,E update)：如果当前值等于预期值，则以原子方式将数组位置 i 的元素设为update值

原子更新引用类型

Atomic包提供了以下三个类：

• AtomicReference：原子更新引用类型
• AtomicReferenceFieldUpdater：原子更新引用类型里的字段
• AtomicMarkableReference：原子更新带有标记位的引用类型

这三个类提供的方法都差不多，首先构造一个引用对象，然后把引用对象set进Atomic类，然后调用compareAndSet等一些方法去进行原子操作，原理都是基于Unsafe实现，但AtomicReferenceFieldUpdater略有不同，更新的字段必须用volatile修饰

原子更新字段类

如果需原子地更新某个类里的某个字段时，就需要使用原子更新字段类，Atomic包提供了以下三个类进行原子字段更新

• AtomicIntegerFieldUpdater：原子更新整型的字段的更新器
• AtomicLongFieldUpdater：原子更新长整型字段的更新器
• AtomicStampedReference：原子更新带有版本号的引用类型。该类将整数值和引用关联起来，可用于原子地更新数据和数据的版本号，可以解决使用CAS进行原子更新时可能出现的ABA问题

要想原子地更新字段需要两部，第一步，因为原子更新字段类都是抽象类，每次使用的时候必须使用静态方法newUpdater()创建一个更新器，并且需要设置想要更新的类和属性。第二部，更新类的字段（属性）必须使用public volatile修饰符。