CAS详解

1.CAS是什么

比较并交换，在多线程环境下尽量不要用i++,要用getAndIncrement()

首先想一个场景当多线程操作同一个数据时，不同的线程都要从中拿到这个数据的副本，然后进行修改之后放回去。

看下面一个例子：

public class CASDemo {
    public static void main(String[] args) {
        AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(5);

        System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(5, 2019) + "\t current data: " + atomicInteger.get());
        System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(5, 1024) + "\t current data: " + atomicInteger.get());
    }
}
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看下结果：

用图来解释一下这个结果

两个工作线程(其实都是main线程的，演示方便就当两个看吧)都想修改主物理内存的值，调用compareAndSet()函数首先工作线程1拿到主物理内存的5然后拷贝一个副本放在自己这然后把这个副本与期望值相比发现相等所以返回true并将5改成2019写会主物理内存并通知其他线程可见，工作线程2再去拿到主物理内存的值2019作为拷贝副本将这个副本与实际的期望值相比不是5所以返回false主物理内存的值也无法得到有效更改。

2. CAS底层原理

首先我们先来探讨一下为什么atomicInteger.getAndIncrement();能够保证线程安全先看一下他的源码

它会调用unsafe类的getAndAddInt方法CAS能保证原子性靠的就是底层的unsafe类这个东西是打娘胎里带的在D:\jdk\jre\lib\rt.jar里面在sun.misc这个包下。CAS是JAVA的核心类，JAVA不能直接和操作系统打交道，需要靠本地方法的帮助，其中的方法可以向C的指针一样直接操作内存。unsafe类的几乎所有方法都是native修饰的，直接调用底层资源执行相应任务。这个方法会拿到当前对象和当前对象的地址，然后加一。

CAS全称是Compare-And-Swap，它是一条CPU并发原语，它的功能是判断内存某个位置是否为预期值如果是则更改为新的值，这个过程是原子的。原语是操作系统的语言是由若干条指令组成的，用于完成某一个功能的过程，原语执行必须是连续的不能被打断也就是说CAS操作是原子的所以atomicInteger.getAndIncrement()能保证线程安全。那为什么CAS原子操作就能保证不被中断呢这涉及到了底层的一些东西Unsafe类中的compareAndSwapInt，是一个本地方法该方法位于unsafe.cpp中其中的Atomic::cmpxchg(x,addr,e)只要有Atomic那他就不可被中断一定是原子的x是新值和addr上之前的值e作比较如果相等则替换不然就不换。

看一下unsafe类的getAndAddInt方法：

    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;
    }
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这里头var1就是当前对象，var2就是当前对象的内存地址，var4就是要加的数，getIntvolatile就是获得当前var2地址中的值，可以理解为从当前主物理内存中拷贝一份到自己的本地内存var5，然后循环执行compareAndSwapInt比较在当前var2地址上var1和var5的值是否相等如果不相等说明主物理内存已经被其他工作线程改过返回false不断循环，如果var1和var5的值相等返回true说明主物理内存的值没被改过，将其修改为var5+var4然后写回主物理内存。

3. CAS缺点

1.首先我们可以看到getAndAddInt方法执行时，有个do while如果CAS失败他就会一直尝试。如果CAS长时间一直不成功，可能会给CPU带来很大的开销。

2.CAS只能保证一个共享变量的原子性，对多个共享变量的原子性往往无能为力，这时候就必须用锁来保证它的原子性。

3.他会引发ABA问题

4. ABA问题

黑色线段为一开始主物理内存的值是A，黄色代表线程1，线程一2s能完成，线程二10s才能完成，一开始主物理内存的值为A，线程一，线程二获得主物理内存的值，这时候由于线程一花费2s时间将主物理内存值从A改成B，然后再画2s将主物理内存从B变成A，又花了2s时间将主物理内存从A改成B，又花费2s将主物理内存改成A，再过2s主物理内存的值仍为A，此时线程二进入将当前主物理内存的值和当初拿到的主物理内存作比较发现相等这时候就对主物理内存中的只进行修改改成B。看似线程2在进行CAS操作的过程中一切顺利但是中间主物理内存的值被改了很多遍，如果你不在意他的过去，只看当下(即开头结尾一致)那就没问题，如果你在意他的过去那这就是有问题的。

4.1原子引用

上面一直在说的AtomicInteger类是专门操作Integer型的数据，如果你想操作其他类型并且要求其他类型也是原子的那就可以使用。

class User{
    String name;
    int age;

    public User(String name, int age) {
        this.name = name;
        this.age = age;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    public void setAge(int age) {
        this.age = age;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public int getAge() {
        return age;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return name + "," +  age;
    }
}
public class AtomicReferenceDemo {
    public static void main(String[] args) {
        User bigwjz = new User("大温",22);
        User smallwjz = new User("小温",2);
        AtomicReference<User> atomicReference = new AtomicReference<>();
        atomicReference.set(bigwjz);//通过这行代码将一开始主物理内存的值设置为bigwjz
        System.out.println(atomicReference.compareAndSet(bigwjz, smallwjz) + "\t" + atomicReference.get().toString());
        System.out.println(atomicReference.compareAndSet(bigwjz, smallwjz) + "\t" + atomicReference.get().toString());
    }
}
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这个结果和之前的AtomicInteger类是一样的，拿到主物理内存副本与最开始的主物理内存的值进行比较如果没被改过就更新，如果被改过就循环。

4.2 ABA问题的解决

既然我们不希望修改之前有其他线程改过主物理内存的值那么我们可以这么干，可以使用带版本号的原子引用，每次修改版本号加一这样如果发现虽然开始拿到的主物理内存的值和现在主物理内存的值相等但是版本号不同说明中间被改过，这样就会返回发false，并且不会修改原来的值。

public class ABAslove {
    static AtomicStampedReference<Integer> atomicStampedReference = new AtomicStampedReference<>(100,1);

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(()->{
            int stamp = atomicStampedReference.getStamp();//获取当前的版本号
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t第一次版本号为" + stamp);
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }//让他睡1秒钟为了让线程2也能拿到相同的版本号
            atomicStampedReference.compareAndSet(100,101,atomicStampedReference.getStamp(),atomicStampedReference.getStamp() + 1);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t第二次版本号" + atomicStampedReference.getStamp());
            atomicStampedReference.compareAndSet(101,100,atomicStampedReference.getStamp(),atomicStampedReference.getStamp() + 1);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t第三次版本号" + atomicStampedReference.getStamp());
        },"t1").start();
     new Thread(()->{
         int stamp = atomicStampedReference.getStamp();//获取当前的版本号
         System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t第一次版本号为" + stamp);
         try {
             TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
         } catch (InterruptedException e) {
             e.printStackTrace();
         }//让他睡1秒钟为了让线程2也能拿到相同的版本号
         boolean result = atomicStampedReference.compareAndSet(100,2019,stamp,stamp + 1);
         System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t修改与否：" + result + "\t当前最新实际版本号：" + atomicStampedReference.getStamp());
         System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t当前实际最新值：" + atomicStampedReference.getReference());
     },"t2").start();
    }
}
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看一下结果

结果显示虽然主物理内存的值仍然是100但是版本号对不上所以更改失败。这样就解决了ABA问题。