CAS的原理是什么

本篇內(nèi)容介紹了“CAS的原理是什么”的有關(guān)知識，在實際案例的操作過程中，不少人都會遇到這樣的困境，接下來就讓小編帶領(lǐng)大家學(xué)習(xí)一下如何處理這些情況吧！希望大家仔細閱讀，能夠?qū)W有所成！

在并發(fā)編程中我們都知道i++操作是非線程安全的，這是因為 i++操作不是原子操作。

如何保證原子性呢?常用的方法就是加鎖。在Java語言中可以使用 Synchronized和CAS實現(xiàn)加鎖效果。

Synchronized是悲觀鎖，線程開始執(zhí)行第一步就是獲取鎖，一旦獲得鎖，其他的線程進入后就會阻塞等待鎖。如果不好理解，舉個生活中的例子：一個人進入廁所后首先把門鎖上(獲取鎖)，然后開始上廁所，這個時候有其他人來了只能在外面等(阻塞)，就算再急也沒用。上完廁所完事后把門打開(解鎖)，其他人就可以進入了。

CAS是樂觀鎖，線程執(zhí)行的時候不會加鎖，假設(shè)沒有沖突去完成某項操作，如果因為沖突失敗了就重試，最后直到成功為止。

什么是 CAS?

CAS(Compare-And-Swap)是比較并交換的意思，它是一條 CPU  并發(fā)原語，用于判斷內(nèi)存中某個值是否為預(yù)期值，如果是則更改為新的值，這個過程是原子的。下面用一個小示例解釋一下。

CAS機制當(dāng)中使用了3個基本操作數(shù)：內(nèi)存地址V，舊的預(yù)期值A(chǔ)，計算后要修改后的新值B。

(1)初始狀態(tài)：在內(nèi)存地址V中存儲著變量值為 1。

(2)線程1想要把內(nèi)存地址為 V 的變量值增加1。這個時候?qū)€程1來說，舊的預(yù)期值A(chǔ)=1，要修改的新值B=2。

(3)在線程1要提交更新之前，線程2捷足先登了，已經(jīng)把內(nèi)存地址V中的變量值率先更新成了2。

(4)線程1開始提交更新，首先將預(yù)期值A(chǔ)和內(nèi)存地址V的實際值比較(Compare)，發(fā)現(xiàn)A不等于V的實際值，提交失敗。

(5)線程1重新獲取內(nèi)存地址 V  的當(dāng)前值，并重新計算想要修改的新值。此時對線程1來說，A=2，B=3。這個重新嘗試的過程被稱為自旋。如果多次失敗會有多次自旋。

(6)線程 1 再次提交更新，這一次沒有其他線程改變地址 V 的值。線程1進行Compare，發(fā)現(xiàn)預(yù)期值 A 和內(nèi)存地址 V的實際值是相等的，進行  Swap 操作，將內(nèi)存地址 V 的實際值修改為 B。

總結(jié)：更新一個變量的時候，只有當(dāng)變量的預(yù)期值 A 和內(nèi)存地址 V 中的實際值相同時，才會將內(nèi)存地址 V 對應(yīng)的值修改為 B，這整個操作就是CAS。

CAS 基本原理

CAS 主要包括兩個操作：Compare和Swap，有人可能要問了：兩個操作能保證是原子性嗎?可以的。

CAS  是一種系統(tǒng)原語，原語屬于操作系統(tǒng)用語，原語由若干指令組成，用于完成某個功能的一個過程，并且原語的執(zhí)行必須是連續(xù)的，在執(zhí)行過程中不允許被中斷，也就是說 CAS  是一條 CPU 的原子指令，由操作系統(tǒng)硬件來保證。

在 Intel 的 CPU 中，使用 cmpxchg 指令。

回到 Java 語言，JDK 是在 1.5 版本后才引入 CAS 操作，在sun.misc.Unsafe這個類中定義了 CAS 相關(guān)的方法。

public final native boolean compareAndSwapObject(Object o, long offset, Object expected, Object x);  public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset, int expected, int x);  public final native boolean compareAndSwapLong(Object o, long offset, long expected, long x);

可以看到方法被聲明為native，如果對 C++ 比較熟悉可以自行下載 OpenJDK 的源碼查看 unsafe.cpp，這里不再展開分析。

CAS 在 Java 語言中的應(yīng)用

在 Java 編程中我們通常不會直接使用到 CAS，都是通過 JDK  封裝好的并發(fā)工具類來間接使用的，這些并發(fā)工具類都在java.util.concurrent包中。

J.U.C 是java.util.concurrent的簡稱，也就是大家常說的 Java 并發(fā)編程工具包，面試?？?，非常非常重要。

目前 CAS 在 JDK 中主要應(yīng)用在 J.U.C 包下的 Atomic 相關(guān)類中。

比如說 AtomicInteger 類就可以解決 i++ 非原子性問題，通過查看源碼可以發(fā)現(xiàn)主要是靠 volatile 關(guān)鍵字和 CAS  操作來實現(xiàn)，具體原理和源碼分析后面的文章會展開分析。

CAS 的問題

CAS 不是萬能的，也有很多問題。

敲黑板：CAS有哪些問題，這是面試高頻考點，需要重點掌握。

典型 ABA 問題

ABA 是 CAS 操作的一個經(jīng)典問題，假設(shè)有一個變量初始值為 A，修改為 B，然后又修改為 A，這個變量實際被修改過了，但是 CAS  操作可能無法感知到。

如果是整形還好，不會影響最終結(jié)果，但如果是對象的引用類型包含了多個變量，引用沒有變實際上包含的變量已經(jīng)被修改，這就會造成大問題。

如何解決?思路其實很簡單，在變量前加版本號，每次變量更新了就把版本號加一，結(jié)果如下：

最終結(jié)果都是 A 但是版本號改變了。

從 JDK 1.5 開始提供了AtomicStampedReference類，這個類的  compareAndSe方法首先檢查當(dāng)前引用是否等于預(yù)期引用，并且當(dāng)前標(biāo)志是否等于預(yù)期標(biāo)志，如果全部相等，則以原子方式將該引用和該標(biāo)志的值設(shè)置為給定的更新值。

自旋開銷問題

CAS 出現(xiàn)沖突后就會開始自旋操作，如果資源競爭非常激烈，自旋長時間不能成功就會給 CPU 帶來非常大的開銷。

解決方案：可以考慮限制自旋的次數(shù)，避免過度消耗 CPU;另外還可以考慮延遲執(zhí)行。

只能保證單個變量的原子性

當(dāng)對一個共享變量執(zhí)行操作時，可以使用 CAS 來保證原子性，但是如果要對多個共享變量進行操作時，CAS 是無法保證原子性的，比如需要將 i 和 j 同時加  1：

i++;j++;

這個時候可以使用 synchronized 進行加鎖，有沒有其他辦法呢?有，將多個變量操作合成一個變量操作。從 JDK1.5  開始提供了AtomicReference 類來保證引用對象之間的原子性，你可以把多個變量放在一個對象里來進行CAS操作。

有態(tài)度的總結(jié)

CAS 是 Compare And Swap，是一條 CPU 原語，由操作系統(tǒng)保證原子性。

Java語言從 JDK1.5 版本開始引入 CAS ， 并且是 Java 并發(fā)編程J.U.C 包的基石，應(yīng)用非常廣泛。

當(dāng)然 CAS 也不是萬能的，也有很多問題：典型 ABA 問題、自旋開銷問題、只能保證單個變量的原子性。

“CAS的原理是什么”的內(nèi)容就介紹到這里了，感謝大家的閱讀。如果想了解更多行業(yè)相關(guān)的知識可以關(guān)注億速云網(wǎng)站，小編將為大家輸出更多高質(zhì)量的實用文章！