CAS介绍

一、什么是CAS

CAS：全称Compare and swap，字面意思：“比较并交换”。一个 CAS 涉及到以下操作：

我们假设内存中的数据V，旧的预期值 (CPU寄存器A中的值)A，需要修改的新值 (CPU寄存器B中的值)B。

1. 比较 A 与 V 是否相等（比较）
2. 如果比较相等，将 B 写入 V（交换）
3. 返回操作是否成功

CAS 伪代码：

下面写的代码不是原子的，真实的 CAS 是一个原子的硬件指令完成的，这个伪代码只是辅助理解 CAS 的工作流程~~

boolean CAS(address, expectValue, swapValue) {
	if (&address == expectedValue) {
    &address = swapValue;
        return true;
   	}
    return false;
}
1
2
3
4
5
6
7

这里的赋值其实是"交换"，但是不关心寄存器B里是啥了，更关心内存中是啥！所以把交换近似看成赋值也没毛病~~

两种典型的不是 “原子性” 的代码：

1. check and set (if 判定然后设定值) [上面的 CAS 伪代码就是这种形式]
2. read and update (i++) [之前我们讲线程安全的代码例子是这种形式]

当多个线程同时对某个资源进行CAS操作，只能有一个线程操作成功，但是并不会阻塞其他线程，其他线程只会收到操作失败的信号~~

CAS 可以视为是一种乐观锁 (或者可以理解成 CAS 是乐观锁的一种实现方式)

因为CAS是一个原子的硬件指令完成的，所以是线程安全的，同时还高效 (不涉及到锁冲突，线程等待)！！！
咱们基于CAS就可以有很多新的玩法，即实现一些逻辑的时候，不加锁也能保证线程安全~~

CAS确实看起来比加锁更好，但是CAS只是在特定场景能用，而加锁适用面更广，并且加锁代码往往比CAS可读性更好！

二、CAS是怎么实现的

针对不同的操作系统，JVM 用到了不同的 CAS 实现原理，简单来讲：

• java 的 CAS 利用的的是 unsafe 这个类提供的 CAS 操作；
• unsafe 的 CAS 依赖了的是 jvm 针对不同的操作系统实现的 Atomic::cmpxchg；
• Atomic::cmpxchg 的实现使用了汇编的 CAS 操作，并使用 cpu 硬件提供的 lock 机制保证其原子性。

简而言之，是因为硬件予以了支持，软件层面才能做到。

三、CAS应用场景

3.1 实现原子类

标准库中提供了 java.util.concurrent.atomic 包，里面的类都是基于这种方式来实现的。
典型的就是 AtomicInteger 类，其中的 getAndIncrement 相当于 i++ 操作~

3.2 实现自旋锁

四、CAS的 ABA问题

4.1 什么是ABA问题

ABA的问题：
假设存在两个线程 t1 和 t2，有一个共享变量 num，初始值为 A。
接下来，线程 t1 想使用 CAS 把 num 值改成 Z，那么就需要：

• 先读取 num 的值，记录到 oldNum 变量中；
• 使用 CAS 判定当前 num 的值是否为 A，如果为 A，就修改成 Z。

但是，在 t1 执行这两个操作之间，t2 线程可能把 num 的值从 A 改成了 B，又从 B 改成了 A！

线程 t1 的 CAS 是期望 num 不变就修改，但是 num 的值已经被 t2 给改了，只不过又改成 A 了，这个时候 t1 究竟是否要更新 num 的值为 Z 呢？

到这一步，t1 线程无法区分当前这个变量始终是 A，还是经历了一个变化过程：

这就好比，我们买一个手机，无法判定这个手机是刚出厂的新手机，还是别人用旧了，又翻新过的手机。

4.2 ABA问题引来的bug

大部分情况下，t2 线程这样的一个反复横跳改动，对于 t1 是否修改 num 是没有影响的，但是不排除一些特殊情况！：

4.3 解决方案

给要修改的值引入版本号 (或上次修改时间)，在CAS比较数据当前值和旧值的同时，也要比较版本号是否符合预期。

• CAS操作在读取旧值的同时，也要读取版本号；
• 真正修改的时候：
  • 如果当前版本号和读到的版本号相同，则修改数据，并把版本号 +1；
  • 如果当前版本号高于读到的版本号，就操作失败 (认为数据已经被修改过了)！

这就好比，判定这个手机是否是翻新机，那么就需要收集每个手机的数据，第一次挂在电商网站上的手机记为版本1，以后每次这个手机出现在电商网站上，就把版本号进行递增。这样如果买家不在意这是翻新机，就买；如果买家在意，就可以直接略过~~

在Java标准库中提供了 AtomicStampedReference 类，这个类可以对某个类进行包装，在内部就提供了上面描述的版本管理功能！