什么是 CAS（比较并交换-乐观锁机制-锁自旋)

桃扇骨 2022-01-27 07:39 265阅读 0赞

**一.概念及特性**  
CAS（Compare And Swap/Set）比较并交换，CAS 算法的过程是这样：它包含 3 个参数  
CAS(V,E,N)。V 表示要更新的变量(内存值)，E 表示预期值(旧的)，N 表示新值。当且仅当 V 值等  
于 E 值时，才会将 V 的值设为 N，如果 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。最后，CAS 返回当前 V 的真实值。  
CAS 操作是抱着乐观的态度进行的(乐观锁)，它总是认为自己可以成功完成操作。当多个线程同时  
使用 CAS 操作一个变量时，只有一个会胜出，并成功更新，其余均会失败。失败的线程不会被挂  
起，仅是被告知失败，并且允许再次尝试，当然也允许失败的线程放弃操作。基于这样的原理，  
CAS 操作即使没有锁，也可以发现其他线程对当前线程的干扰，并进行恰当的处理。

**二.原子包 java.util.concurrent.atomic（锁自旋）**  
JDK1.5 的原子包：java.util.concurrent.atomic 这个包里面提供了一组原子类。其基本的特性就  
是在多线程环境下，当有多个线程同时执行这些类的实例包含的方法时，具有排他性，即当某个  
线程进入方法，执行其中的指令时，不会被其他线程打断，而别的线程就像自旋锁一样，一直等  
到该方法执行完成，才由 JVM 从等待队列中选择一个另一个线程进入，这只是一种逻辑上的理解。  
相对于对于 synchronized 这种阻塞算法，CAS 是非阻塞算法的一种常见实现。由于一般 CPU 切  
换时间比 CPU 指令集操作更加长， 所以 J.U.C 在性能上有了很大的提升。如下代码：

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
    	private volatile int value;
    	public final int get() {
     		return value;
    	 }
     public final int getAndIncrement() {
     		for (;;) { //CAS 自旋，一直尝试，直达成功
    		 int current = get();
    		 int next = current + 1;
    		 if (compareAndSet(current, next))
    		 	return current;
    		 }
    	 }
     public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
     		return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
    	}
    }

getAndIncrement 采用了 CAS 操作，每次从内存中读取数据然后将此数据和+1 后的结果进行  
CAS 操作，如果成功就返回结果，否则重试直到成功为止。而 compareAndSet 利用 JNI 来完成  
CPU 指令的操作。

**三. ABA 问题**  
CAS 会导致“ABA 问题”。CAS 算法实现一个重要前提需要取出内存中某时刻的数据，而在下时  
刻比较并替换，那么在这个时间差类会导致数据的变化。  
比如说一个线程 one 从内存位置 V 中取出 A，这时候另一个线程 two 也从内存中取出 A，并且  
two 进行了一些操作变成了 B，然后 two 又将 V 位置的数据变成 A，这时候线程 one 进行 CAS 操  
作发现内存中仍然是 A，然后 one 操作成功。尽管线程 one 的 CAS 操作成功，但是不代表这个过  
程就是没有问题的。  
部分乐观锁的实现是通过版本号（version）的方式来解决 ABA 问题，乐观锁每次在执行数据的修  
改操作时，都会带上一个版本号，一旦版本号和数据的版本号一致就可以执行修改操作并对版本  
号执行+1 操作，否则就执行失败。因为每次操作的版本号都会随之增加，所以不会出现 ABA 问  
题，因为版本号只会增加不会减少。