【JavaEE】CAS(Compare And Swap)操作

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文章目录

什么是 CAS
CAS 的应用
如何使用 CAS 操作实现自旋锁
CAS 的 ABA 问题
CAS 相关面试题

什么是 CAS

CAS（Compare and Swap）是一种原子操作，用于在无锁情况下保证数据一致性的问题。它包含三个操作数——内存位置、预期原值及更新值。在执行CAS操作时，会将内存位置的值与预期原值进行比较。如果两者相等，则处理器会自动将该位置的值更新为新值；如果不相等，则处理器不做任何操作。这个过程是原子的，即在整个操作期间，不会被其他线程或进程中断。

在多线程并发编程中，CAS操作可以避免传统的锁机制引起的线程阻塞和上下文切换等问题，提高程序的并发性能。

CAS伪代码

boolean CAS(address, expectValue, swapValue) {//如果内存address中的值和expectValue相等话，//就将swapValue的值赋给adress，并且返回trueif (&address == expectValue) {&address = swapValue;return true;}return false;
}

CAS 是一个 CPU 指令，具有原子性，而具有原子性的操作就代表着不需要加锁就可以保证线程的安全，所以 CAS 操作就可以替代某些加锁的操作。

CAS 本质上是 CPU 提供的指令，然后被操作系统封装形成 API 后，又被 JVM 或者其它封装成为 API 之后，我们程序员才可以直接使用 CAS 的相关操作。

CAS 的应用

CAS 经过 CPU 和 JVM 封装之后，我们在 Java 代码中就可以直接使用 CAS 操作，那么我们来看看在 Java 中如何使用 CAS 操作。

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.

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我们可以根据需要创建出合适的类，如果你要进行 CAS 的数据类型为 int 类型的话，就创建 AtomicInteger 类，如果是 boolean 类型的话，就创建出 AtomicBoolean 类型。

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AtomicInteger 类中有很多方法，但是我们今天主要了解 getAndDecrement 方法和 getAndIncrement 方法，它们分别表示–和++操作。

public class Test {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);Thread t1 = new Thread(() -> {for(int i = 0; i < 1000; i++) {atomicInteger.getAndIncrement();}});Thread t2 = new Thread(() -> {for(int i = 0; i < 1000; i++) {atomicInteger.getAndIncrement();}});t1.start();t2.start();t1.join();t2.join();System.out.println(atomicInteger.get());  //2000}
}

public class Test {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(10000);Thread t1 = new Thread(() -> {for(int i = 0; i < 1000; i++) {atomicInteger.getAndDecrement();}});Thread t2 = new Thread(() -> {for(int i = 0; i < 1000; i++) {atomicInteger.getAndDecrement();}});t1.start();t2.start();t1.join();t2.join();System.out.println(atomicInteger.get());  //8000}
}

++或者–的操作不具有原子性，如果在多线程中进行++或者–操作的时候往往会发生线程不安全问题，导致最终的结果不是我们想要的结果，而这里我们使用 CAS 操作的话就保证了++和–操作的原子性，并且也避免了加锁阻塞的现象，既保证了答案的正确性，又保证了运行速度。

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查看 getAndIncrement 方法我们可以看到这个方法里面又调用了 getAndAddInt 方法，但是这个方法是属于 unsafe 的，unsafe 中的方法都是偏底层且操作较危险的操作。

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可以看到 getAndAddInt 方法中是没有加锁操作的。

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compareAndSwapInt 方法是 native 修饰的本地方法，这个方法是 JVM 底层由 C/C++ 写的，我们是看不到的。

这里 getAndIncremnet 方法还是用伪代码来实现一遍。

class AtomicInteger {private int value;public int getAndIncrement() {//这里现在寄存器当中存储value的值int oldValue = value;//比较内存中的value值是否和寄存器当中的oldValue相同//如果相同，则说明该过程中value的值没有被修改，然后将后面的修改值赋给value//如果不相同，说明在这个过程中value的值被修改了，那么更新oldValue的值while (CAS(value, oldValue, oldValue + 1) != true)oldValue = value;}return oldValue;}
}

如何使用 CAS 操作实现自旋锁

前面【JavaEE】锁策略中为大家讲解了什么是自旋锁，自旋锁就是当线程想要获取到锁，但是这个锁正别其他线程使用的时候，一般请情况下线程会进入阻塞等待状态，但是自旋锁不是，它不释放 CPU 资源，反复确认这个锁是否被释放，使得整个操作一直处于用户态操作，减少了内核态操作而增加一些其他操作。接下来，我们就来使用 CAS 操作来实现自旋锁。

public class SpinLock {//owner表示当前锁是被哪个线程所拥有，当owner为null的时候表示该所可以被获取private Thread owner = null;//while判断当前owner时候为null，如果是，则获取到整个锁，修改owner为当前线程//如果owner不为null，则表示锁被其他线程使用，那么就会返回false，while里面的//判断就为true，进入死循环，直到其他线程使用unlock方法释放锁public void lock() {while (!CAS(this.owner, null, Thread.currentThread())) {}}public void unlock() {this.owner = null;}
}

通过 CAS 操作就解决了当多个线程竞争一个锁的时候，线程进入阻塞等待状态由用户态操作转为内核态的情况，保证了程序处于用户态的操作状态。

CAS 的 ABA 问题

CAS 操作是判断内存中的数据是否和寄存器中的值相等，那么是否会发生一种情况就是：在这个过程中内存中的数据由 A -> B -> A，也就是说内存中的数据被修改了一次，但是最后又被改回来了的情况呢？当然是可能的，那么如果发生这种情况的时候是否会出现问题呢？

使用 CAS 操作的时候，如果发生 ABA 的问题时，一般不会出现问题，但是有些特殊的情况会造成问题。比如：我现在是大学生，每个月我的父母就会向我的银行卡里面打钱，我呢手机绑定了银行卡，就需要从银行卡中将这些钱充值到微信或者支付宝上，我打算充值1000块，但是当我点击充值按钮的时候，因为网卡，我点了一次没反应，所以我又点了一次，当网络好了的时候，它后台就显示我点击了两次，但是实际上我只想充值一次，那么微信或者支付宝的后台就会有两个线程执行 CAS 操作。

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但是如果在这个时候，我的父母又给我银行卡里面打了1000块钱的时候会发生什么呢？

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那么如何解决 CAS 的 ABA 问题呢？造成 ABA 的问题就是变量既有增加也有减少，如果我们使用的变量是只增或者只减的话，那么就不会发生这种 ABA 问题。我们可以引入一个额外的变量：版本号，换个版本号是只增的，修改一次余额就增加版本号一次，当执行 CAS 操作的时候会判断内存中的版本号和寄存器当中的版本号是否相同，相同则可以执行，不相同就说明中间穿插了其他的修改操作，不执行修改操作。

public class Test2 {private int value;//number表示版本号private int number = 0;public void add(int money) {int oldNumber = number;//进行一次修改操作之后版本号就加1if (CAS(number, oldNumber, oldNumber + 1)) {value += money;}}
}