一、CAS

二、CAS原理

三、CAS简单使用

四、CAS的实现

4.1、硬件级别保证

4.2、源码分析

五、Unsafe类

六、CAS的AtomicReference的使用

七、使用CAS实现自旋锁

八、CAS缺点

8.1、循环时间长开销很大

8.2、CAS会导致”ABA问题“

九、CAS的AtomicStampedReference解决ABA问题

一、CAS

compare and swap的缩写，表示：比较并交换，实现并发算法时常用的一种技术。

它包含三个操作数----内存位置、预期原值及更新值。

执行CAS操作的时候，将内存位置的值与预期原值比较；

如果相匹配，那么处理器会自动将该位置值更新为新值。

如果不匹配，处理器不做任何操作，多个线程同时执行CAS操作只会有一个会成功。

二、CAS原理

CAS的3个操作数，位置内存值V，旧的预期值A，要修改的更新值B。

当且仅当旧的预期值A和内存值V相同时，将内存值V修改为B，否则什么都不做或重来当它重来重试的这种行为------自旋。

三、CAS简单使用

public class CASTest {public static void main(String[] args) {AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(2);System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(2, 255) + "\t" + atomicInteger.get());System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(2, 255) + "\t" + atomicInteger.get());}
}

四、CAS的实现

4.1、硬件级别保证

CAS是JDK提供的非阻塞原子性操作，它通过硬件保证了比较-更新的原子性。

它是非阻塞的且自身具有原子性，也就是说它效率更高且通过硬件保证，说明更可靠。

CAS是一条CPU的原子指令(cmpxchg指令)，不会造成所谓的数据不一致性问题，Unsafe提供的CAS方法底层实现即为CPU指令cmpxchg。

执行cmpxchg指令的时候，会判断当前系统是否为多核系统，如果是就给总线加锁，只有一个线程会对总线加锁成功，加锁成功之后会执行CAS操作，也就是说CAS的原子性实际上是CPU实现独占的，比用synchronized重量级锁，这里的排他时间要短很多，所以在多线程情况下性能会比较好

4.2、源码分析

compareAndSet()方法的源代码

参数说明：

var1：要操作的对象

var2：要操作对象中属性地址的偏移量

var4：需要修改数据的期望的值

var5/var6：表示需要修改为的新值

五、Unsafe类

1、是CAS的核心类，由于Java方法无法直接访问底层操作系统，需要通过本地(native)方法来访问，Unsafe相当于一个后门，基于该类可以直接操作特定内存的数据。Unsafe类存在于sun.misc包中，其内部方法操作可以像C的指针一样直接操作内存，因为Java中CAS操作的执行依赖于Unsafe类的方法。

2、变量valueOffset：该变量值在内存中的偏移地址，因为Unsafe就是根据内存偏移地址获取数据的。

3、变量value使用volatile修饰，保证了多线程之间的内存可见性。

六、CAS的AtomicReference的使用

public class CASTest1 {public static void main(String[] args) {AtomicReference<People> atomicReference = new AtomicReference<>();People people1 = new People("小明", 22);People people2 = new People("小红", 21);atomicReference.set(people1);System.out.println(atomicReference.compareAndSet(people1, people2) + "\t" + atomicReference.get().toString());System.out.println(atomicReference.compareAndSet(people1, people2) + "\t" + atomicReference.get().toString());}
}class People {private String name;private int age;public People(String name, int age) {this.name = name;this.age = age;}public String getName() {return name;}public void setName(String name) {this.name = name;}public int getAge() {return age;}public void setAge(int age) {this.age = age;}@Overridepublic String toString() {return "People{" +"name='" + name + '\'' +", age=" + age +'}';}
}

七、使用CAS实现自旋锁

CAS是实现自旋锁的基础，CAS利用CPU指令保证了操作的原子性，以达到锁的效果，至于自旋：就是自己旋转，指尝试获取锁的线程不会立即阻塞，而是采用循环的方式去尝试获取锁，当线程发现锁被占用时，会不断循环判断锁的状态，直接获取。这样的好处就是减少线程上下文切换的消耗，缺点就是循环消耗CPU

public class CASTest2 {AtomicReference<Thread> atomicReference = new AtomicReference<>();public void lock(){Thread thread = Thread.currentThread();while (!atomicReference.compareAndSet(null,thread)){}}public void unLock(){Thread thread = Thread.currentThread();atomicReference.compareAndSet(thread,null);}public static void main(String[] args) {CASTest2 casTest2 = new CASTest2();new Thread(()->{System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 开始");casTest2.lock();try {TimeUnit.SECONDS.sleep(5);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}casTest2.unLock();System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 结束");},"A").start();new Thread(()->{System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 开始");casTest2.lock();casTest2.unLock();System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 结束");},"B").start();}
}

八、CAS缺点

8.1、循环时间长开销很大

上述方法使用的do while，如果CAS失败，会一直进行尝试。如果CAS长时间一直不成功，可能会给CPU带来很大的开销。

8.2、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并在当下时刻比较并替换，那么在这个时间差类会导致数据的变化。

如一个线程1从内存位置V中取出A，这时候另一个线程2也从内存中取出A，并且线程2进行了一些操作将值变为了B，然后线程2又将V位置的数据变为A，这时候线程1进行CAS操作发现内存中任然是A，预期OK，然后线程1操作成功。结果虽然正确，但过程不一定没有问题

九、CAS的AtomicStampedReference解决ABA问题

单线程解决：

public class CASTest3 {public static void main(String[] args) {Book java = new Book(1, "java");Book go = new Book(2, "go");boolean b;AtomicStampedReference<Book> atomicStampedReference = new AtomicStampedReference<>(java, 1);System.out.println(atomicStampedReference.getReference() + "\t" + atomicStampedReference.getStamp());b = atomicStampedReference.compareAndSet(java, go, atomicStampedReference.getStamp(), atomicStampedReference.getStamp() + 1);System.out.println(b+"\t"+atomicStampedReference.getReference() + "\t" + atomicStampedReference.getStamp());b = atomicStampedReference.compareAndSet(go, java, atomicStampedReference.getStamp(), atomicStampedReference.getStamp() + 1);System.out.println(b+"\t"+atomicStampedReference.getReference() + "\t" + atomicStampedReference.getStamp());}
}
class Book{private Integer id;private String name;public Book(Integer id, String name) {this.id = id;this.name = name;}public Integer getId() {return id;}public void setId(Integer id) {this.id = id;}public String getName() {return name;}public void setName(String name) {this.name = name;}@Overridepublic String toString() {return "Book{" +"id=" + id +", name='" + name + '\'' +'}';}
}

多线程：

public class CASTest4 {static AtomicStampedReference stampedReference = new AtomicStampedReference(100,1);public static void main(String[] args) {new Thread(()->{int stamp = stampedReference.getStamp();System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t第一次版本号" + stamp);try {TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(500);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}boolean b;b = stampedReference.compareAndSet(100, 101, stampedReference.getStamp(), stampedReference.getStamp() + 1);System.out.println(b+"\t"+stampedReference.getReference()+"\t"+stampedReference.getStamp());b = stampedReference.compareAndSet(101, 100, stampedReference.getStamp(), stampedReference.getStamp() + 1);System.out.println(b+"\t"+stampedReference.getReference()+"\t"+stampedReference.getStamp());},"A").start();new Thread(()->{int stamp = stampedReference.getStamp();System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t第一次版本号" + stamp);try {TimeUnit.SECONDS.sleep(1);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}boolean b = stampedReference.compareAndSet(100, 101, stamp, stamp + 1);System.out.println(b+"\t"+stampedReference.getReference()+"\t"+stamp);},"B").start();}
}

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