wshanshi：喵桑说，我总结完CAS就带我去吃羊蝎子火锅…干饭那必须整起啊…

一、什么是CAS?

CAS：Compare and Swap。从字面意义上来说，就是先进行比较，然后替换。

它是乐观锁思想的一种实现，尤其是在并发量大的业务场景下保证单个实例的原子性，使用较为频繁。java类库中java.util.concurrent.atomic包下一些方法，也均使用CAS处理。

二、悲观锁与乐观锁

CAS是乐观锁思想的一种体现，那乐观锁和悲观锁有什么区别呢？

2.1、悲观锁

悲观锁常见使用是synchronized修饰的代码块或者方法。

在操作数据之前加锁，直到数据操作完成，锁被释放之后，其它线程才可以操作该数据。比如，mysql数据库锁就是悲观锁。

2.2、乐观锁

数据操作不加锁，每次提交之前获取最新值与原获取值进行对比，数据未变更时操作，否则自旋。

2.3、区别

乐观锁是并行的，悲观锁是串行的。

乐观锁：

悲观锁：

乐观锁实质并未“加锁”，悲观锁是加了锁的（synchronized）。

三、CAS原理

Compare and Swap，比较并替换。说白了就是：在操作提交之前，与原获取到的值先进行比较，判断这个值有没有被修改。如果未被修改，操作修改。如果已被修改，则重新获取值，提交之前再比较…

举个栗子：关于《损友经常在群里偷偷改我的头衔》这件事。

线程a获取到我的信息，并操作将我的头衔由“三婶”改为了“王胖虎”。

之后线程b获取到我的头衔为“王胖虎”，又修改了“王胖虎”为“三婶”。

这是正常的一种非并发流程的体现，我们再来看下面一种情况：

假设线程a和线程b均获取到我的名字“三婶”。且线程a操作修改了“三婶”为“王胖虎”。

若a线程成功操作之后，线程b在修改提交前获取名称，发现实际读到的头衔是“王胖虎”。

对比预期值（三婶），发现"三婶"！=“王胖虎”（被修改了）。这时按照CAS原理，就会再次获取预期值（此时预期值为：王胖虎），且提交前获取内存值，进行对比…判断是否一致…

CAS机制中使用了3个基本操作数：内存地址V，旧的预期值A，需要替换的新值B。

计算规则是：当需要更新一个变量的值的时候，仅当变量的预期值A（原获取）和内存地址V（提交前获取）中实际值相同的时候，才会把内存地址V对应的值替换成B。

如下图示例：

四、核心Unsafe类库

该类可直接操作内存，所以效率高。且Unsafe类和常量均使用final修饰，单例模式实现，不可继承。通过下图所示静态方法getUnsafe进行实例化，实例化在static块中操作的。

Unsafe可以设置读写某个属性，如下图所示。

volatile 保证了不同线程对共享变量操作的可见性，也就是说一个线程修改了 volatile 修饰的变量，当修改后的变量写回主内存时，其他线程能立即看到最新的值。

五、CAS优缺点

优点：在并发问题不严重的时候，性能方面比synchronized要快。

缺点：不能确保代码块的原子性。因为CAS机制确保的是一个变量的原子性操作，并不能保证整个代码块的原子性。如果多个变量共同进行原子性的更新操作，就需要用lock或者synchronized了。

5.1、自旋

假设线程a和线程b均获取到我的名字“三婶”。线程a操作修改了“三婶”为“王胖虎”，之后线程b在提交前获取名称，发现读到的是“王胖虎”。对比不一致，就会再次获取。

假如这个时候有个线程c把“王胖虎”改为了“胖虎”，线程b读取时又不一致了。这个时候就会一直获取，一直对比…

这种现象称为“自旋”。

5.2、ABA情况

还拿上述的栗子来说：

假设线程a和线程b均获取到我的名字“三婶”。然后线程a操作修改了“三婶”为“王胖虎”。

如果这个时候有个线程c成功操作：将“王胖虎”改为了“三婶”。线程b在提交前获取名称，发现读到的是“三婶”，它会以为“这个值并没有发生变化”。

但实质上，这个值可能是多次被修改后，恰巧变为了原始值的一种情况，也就是所谓的ABA.

六、如何避免ABA情况？

6.1、加版本号

每次操作compareAndSwap后给数据的版本号加1，再次compareAndSwap的时候不仅比较数据，也比较版本号，值相同，若是版本号不同，就不执行成功。

java.util.concurrent.atomic包中提供了AtomicStampedReference来解决该问题。

AtomicStampedReference 内部维护了一个 Pair的数据结构：reference(数据体)、stamp(版本)两个部分。该数据结构用volatile修饰，保证了线程可见性。

核心方法为：compareAndSet方法。该方法中，expectedReference：表示预期值，newReference：表示新的值，expectedStamp：表示预期版本号，newStamp表示新的版本号。

从数据和版本号两个方面来判断传入的参数是否符合 Pair 的预期，有一个不符合就返回false。

可以看到，这里底层也是使用了cas。预期值为“三婶”，版本号为0。新值为“王胖虎”，新版本号为1。

而casPair实质上调用的是UNSAFE.compareAndSwapObject（）方法。

由此可见，AtomicStampedReference是通过加版本号来解决ABA问题的。对于加版本号，compareAndSwapObject只能对比交互一个对象，所以将数据和版本号放到一个对象里就可以解决问题了。

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