我們在使用鎖時，線程獲取鎖是一種悲觀鎖策略，即假設(shè)每一次執(zhí)行臨界區(qū)代碼都會產(chǎn)生沖突， 所以當(dāng)前線程獲取到鎖的時候同時也會阻塞其他線程獲取該鎖。而CAS操作(又稱為無鎖操作)是一種樂觀鎖策略，它假設(shè)所有線程訪問共享資源的時候不會出現(xiàn)沖突，既然不會出現(xiàn)沖突自然而然就不會阻塞其他線程的操作。因此，線程就不會出現(xiàn)阻塞停頓的狀態(tài)。那么，如果出現(xiàn)沖突了怎么辦？無鎖操作是使用CAS(compare and swap)又叫做比較交換來鑒別線程是否出現(xiàn)沖突，出現(xiàn)沖突就重試當(dāng)前操作直到?jīng)]有沖突為止。

CAS的操作過程

CAS即Compare and Swap，CAS比較交換的過程可以通俗的理解為CAS(V、A、B)，包含三個值分別為: V內(nèi)存中實際值、 A預(yù)期原值(舊值) 、B更新的新值。當(dāng)V和A相同時，也就是說舊值和內(nèi)存中實際的值相同表明該值沒有被其他線程更改過，即該舊值A(chǔ)就是目前來說最新的值了，自然而然可以將新值B賦值給V。反之，V和A不相同，表明該值已經(jīng)被其他線程改過了則該舊值A(chǔ)不是最新版本的值了，所以不能將新值B賦給V，返回V即可。當(dāng)多個線程使用CAS操作一個變量時，只有一個線程會成功，并成功更新，其余會失敗。失敗的線程會重新嘗試，當(dāng)然也可以選擇掛起線程。

CAS的實現(xiàn)需要硬件指令集的支撐，在JDK1.5后虛擬機(jī)才可以使用處理器提供的CMPXCHG指令實現(xiàn)。CAS支持原子更新操作，適用于計數(shù)器，序列發(fā)生器等場景(序列發(fā)生器就是用來給變量自增的工具)，CAS屬于樂觀鎖機(jī)制，號稱lock-free(其實只是上層感知無鎖，底層還是有加鎖操作的)。CAS操作失敗時由開發(fā)者決定是繼續(xù)嘗試還是執(zhí)行別的操作。

基于CAS實現(xiàn)的工具

java.util.concurrent包都中的實現(xiàn)類都是基于volatile和CAS來實現(xiàn)的。尤其java.util.concurrent.atomic包下的原子類。 就拿AtomicInteger來說：

可以看到 AtomicInteger 底層用的是volatile的變量和CAS來進(jìn)行更改數(shù)據(jù)的。volatile保證可見性，多線程并發(fā)時，一個線程修改數(shù)據(jù)，可以保證其它線程立馬看到修改后的值，CAS則保證數(shù)據(jù)更新的原子性。

CAS多數(shù)情況下對開發(fā)者來說是透明的。J.U.C的atomic包提供了常用的原子性數(shù)據(jù)類型以及引用、數(shù)組等相關(guān)原子類型和更新操作工具，是很多線程安全程序的首選。Unsafe類雖提供CAS服務(wù)，但因能夠操縱任意內(nèi)存地址讀寫而有隱患。JDK9以后，可以使用Variable Handle API來替代Unsafe

模擬實現(xiàn)CAS

CAS需要硬件層面的支持，所以模擬還是用synchronized來實現(xiàn)一下：

public class TestImplementCAS {
public static void main(String[] args) {
final CompareAndSwap cas = new CompareAndSwap();

for (int i = 0; i < 10; i++) {
new Thread(()->{
int expectedValue = cas.get();
boolean b = cas.compareAndSet(expectedValue, (int)(Math.random() * 101));
System.out.println(b);
}).start();
}
}
}

class CompareAndSwap{
private int value;

//獲取內(nèi)存值
public synchronized int get(){
return value;
}

//比較
public synchronized int compareAndSwap(int expectedValue, int newValue){
int oldValue = value;

if(oldValue == expectedValue){
this.value = newValue;
}

return oldValue;
}

//設(shè)置
public synchronized boolean compareAndSet(int expectedValue, int newValue){
return expectedValue == compareAndSwap(expectedValue, newValue);
}
}

CAS的缺點

1、ABA問題

因為CAS會檢查舊值有沒有變化，這里存在這樣一個有意思的問題。比如一個舊值A(chǔ)變?yōu)榱顺葿，然后再變成A，剛好在做CAS時檢查發(fā)現(xiàn)舊值并沒有變化依然為A，但是實際上的確發(fā)生了變化。解決方案可以沿襲數(shù)據(jù)庫中常用的樂觀鎖方式，添加一個版本號可以解決。在JDK1.5后的atomic包中提供 了AtomicStampedReference來解決ABA問題，解決思路就是這樣的。如果需要解決ABA問題，互斥與同步可能比CAS更高效。

2、自旋會浪費(fèi)大量的處理器資源
與線程阻塞相比，自旋會浪費(fèi)大量的處理器資源。這是因為當(dāng)前線程仍處于運(yùn)行狀況，只不過跑的是無用指令。它
期望在運(yùn)行無用指令的過程中，鎖能夠被釋放出來。JVM給出的方案是自適應(yīng)自旋，根據(jù)以往自旋等待時能否獲取鎖，來動態(tài)調(diào)整自旋的時間。

3、公平性問題
自旋狀態(tài)還帶來另外一個副作用，不公平的鎖機(jī)制。處于阻塞狀態(tài)的線程，無法立刻競爭被釋放的鎖。然而，處于
自旋狀態(tài)的線程，則很有可能優(yōu)先獲得這把鎖。內(nèi)建鎖無法實現(xiàn)公平機(jī)制，而lock體系可以實現(xiàn)公平鎖。

解決ABA問題

在JDK1.5后的atomic包中提供 了AtomicStampedReference來解決ABA問題， 它通過包裝[E，Integer]的元組來對對象標(biāo)記版本stamp，從而避免ABA問題。在了解AtomicStampedReference之前我們可以先分析一下AtomicReference。

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;

public class AtomicReferenceDemo {
public static void main(String[] args) {
AtomicReference<String> atomicReference = new AtomicReference<>();
atomicReference.set("AAA");

//CAS操作更新
boolean result = atomicReference.compareAndSet("AAA", "BBB");
System.out.println(result + " " + atomicReference.get());

//CAS操作更新
result = atomicReference.compareAndSet("AAA", "CCC");
System.out.println(result + " " + atomicReference.get());
}
}

AtomicReference的成員變量

//Unsafe類提供CAS操作
private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();

//value變量的偏移地址，這個偏移地址在static塊里初始化
private static final long valueOffset;

//實際傳入需要原子操作的那個類實例
private volatile V value;

compareAndSet方法是基于Unsafe提供的compareAndSwapObject方法， 這里的compareAndSet方法即CAS操作本身是原子的，但是在某些場景下會出現(xiàn)異常場景，也就是ABA問題。我們使用AtomicStampedReference來解決這個問題，下面是AtomicStampedReference的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)：

public class AtomicStampedReference<V> {
private static class Pair<T> {
final T reference; //維護(hù)對象引用
final int stamp; //用于標(biāo)志版本

private Pair(T reference, int stamp) {
this.reference = reference;
this.stamp = stamp;
}

static <T> Pair<T> of(T reference, int stamp) {
return new Pair<T>(reference, stamp);
}
}

private volatile Pair<V> pair;
...
}
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• 本文作者： Tim
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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的CAS操作与ABA问题的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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