多线程-day-09CAS原理

原子操作CAS

什么是原子操作？如何实现原子操作？

CAS的原理

CAS的问题

JDK中相关原子操作类的使用

在JDK5之前，Java语言同步操作，需要依赖synchronized关键字进行同步。这里就产生了锁的概念。synchronized称之为内置锁，也可以称为互斥锁。synchronized内置锁（互斥锁）可能带来以下几个问题：

虽然是线程安全，但是在多个线程竞争的情况下，有些一些优先级较低的线程获得锁，那么优先级较高的线程将被阻塞，优先级倒置，优先级高的线程一直等待锁被释放。会引起性能风险。
多个线程竞争情况下，频繁的加锁、释放锁，会导致较多的上下文切换和调度演示，因而对性能造成影响。

考虑使用volatile关键字，但是volatile不能保证操作的原子性，因此对于同步的操作最终还是要回到锁的机制上。

独占锁是一种悲观锁，synchronized就是一种独占锁，会导致其他所有需要锁的线程挂起，一直等待持有锁的线程释放锁后再进行调度。另外一种锁就是乐观锁，乐观锁的机制就是：每次不加锁，而是假设没有冲突就去完成某项操作，如果产生冲突失败就重试，一直到成功为止。

CAS的原理

利用现代处理器都支持CAS指令，循环这个指令，直到成功为止。 从某种程度上，CAS就是乐观锁。

CAS（Compare And Swap），指令级别保证这是一个原子操作。

CAS三个运算符：一个内存地址V，一个期望值A，一个新值B。

基本思路：如果地址V上的值，和期望值A相等，则给地址V赋给新值B。如果不是，则不做操作，在循环内（死循环/自旋）不断进行CAS操作，直到成功。

CAS带来的问题

ABA问题：比如两个线程T1和T2，当线程T1从内存地址V取的值A，此时T2也从内存地址V取的值A，并且T2进行了一些运算或者操作，将值A变成了值B，然后T2又因为某种操作将值B变回了值A；此时T1进行CAS操作的时候，发现内存V的值还是只A，然后也操作成功了。这里虽然线程T1执行了操作，并且最终的值也没有问题，但是很明显，对于操作这个内存V的值A，是已经由线程T2进行了相关操作后返回的值，因此就产生了ABA的问题。

举个简单例子：两个人张三，李四；张三把一个打满水的杯子放在桌子上，然后去做其他事情去了；李四经过然后拿起杯子喝了半杯，然后再把杯子的水打满。张三来了之后，并没有杯子有什么异常，看起来还是之前的那杯水，但是实际上杯子里面的水已经动过了。有谁希望自己的杯子被其他人动过呢~

ABA问题解决方案：设置一个版本号，如果某个线程对值进行了操作，则操作完后加一个版本号进行区分。例如：值A初始版本号为1，那么经过T2变化的过程为：A1--->B2--->A3，通过版本号，线程T1就知道值A已经经过了改变。这也是乐观锁的操作流程。

也就是张三把杯子放在桌子上，然后放一个纸条在桌子上，如果谁要动杯子，先在纸上进行一个记录，这样张三做完其他事情回来之后，也可以看到是否自己的杯子是否被动过了。

开销问题：因为CAS操作，都是在一个循环内（死循环/自旋）进行操作，如果长时间不成功则一直进行CAS原子操作，因此会给CPU带来非常大的开销。如果JVM能支持处理器提供的pause指令那么效率会有一定的提升，pause指令有两个作用，第一它可以延迟流水线执行指令（de-pipeline）,使CPU不会消耗过多的执行资源，延迟的时间取决于具体实现的版本，在一些处理器上延迟时间是零。第二它可以避免在退出循环的时候因内存顺序冲突（memory order violation）而引起CPU流水线被清空（CPU pipeline flush），从而提高CPU的执行效率。

只能保证一个共享变量的原子操作：当对一个共享变量执行操作时，我们可以使用循环CAS的方式来保证原子操作，但是对多个共享变量操作时，循环CAS就无法保证操作的原子性，这个时候就可以用锁，或者有一个取巧的办法，就是把多个共享变量合并成一个共享变量来操作。比如有两个共享变量i＝2,j=a，合并一下ij=2a，然后用CAS来操作ij。从Java1.5开始JDK提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性，你可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作。

Jdk中相关原子操作类的使用

更新基本类型类：AtomicBoolean，AtomicInteger，AtomicLong，AtomicReference
更新数组类：AtomicIntegerArray，AtomicLongArray，AtomicReferenceArray
更新引用类型：AtomicReference，AtomicMarkableReference，AtomicStampedReference
原子更新字段类： AtomicReferenceFieldUpdater，AtomicIntegerFieldUpdater，AtomicLongFieldUpdater

以上为CAS原子操作的相关概念，以及和synchronized内置锁的相关区别，重点在于理解CAS原子操作的原理，为什么使用CAS原子操作，CAS原子操作会产生哪些问题。JDK中提供了哪些CAS原子操作类的使用。

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