什么是 CAS 机制？如何解决 ABA 问题？

什么是 CAS 机制？如何解决 ABA 问题？

什么是 CAS 机制？如何解决 ABA 问题？_Java_小问号的博客 - CSDN 博客

你知道什么是 CAS 机制吗？CAS 和 Synchronized 的区别是什么？适用场景呢？优点与缺点呢？

我们先来看一手代码：

启动两个线程，每个线程中让静态变量 count 循环累加 100 次。

该代码输出结果如下。因为这段代码是线程不安全的，所以自增结果很可能会小于 200.

我们加上 synchronized 同步锁，再来看一下。

输出结果如下：

加了同步锁后，count 自增的操作变成了原子性操作，所以最终输出结果一定是 200，代码实现了线程安全。虽然 synchronized 确保了线程的安全，但是在有些情况下，这并不是最好的选择。

关键在于性能问题。

synchronized 关键字会让没获得锁资源的线程进入 BLOCKED（阻塞）状态，只有在争夺到锁资源的时候才转换成 RUNNABLE（运行）状态。这其中涉及到操作系统中用户模式和内核模式之间的切换，代价比较高。

同时，尽管 jdk 对 synchronized 关键字进行了优化，增加了从偏向锁到轻量级锁再到重量级锁的过度，但是在最终转变为重量级锁之后，性能依然比较低，所以面对这种只对单个变量进行原子性的操作，最好使用 jdk 自带的 “原子操作类”。

原子操作类，指的是 java.util.concurrent.atomic 包下，一系列以 Atomic 开头的包装类。例如 AtomicBoolean、AtomicInteger、AtomicXXX 都是分别对应 Boolean、Integer 或其他类型的原子性操作。

现在我们采用 AtomicInteger 类试一下：

输出结果如下：

使用原子操作类之后，最终的输出结果同样是 200，保证了线程安全。并且在某种情况下，该方案代码的性能会比 synchronized 更好。

而 Atomic 操作类的底层正是用到了 "CAS 机制"。

首先，CAS 的英文单词是 Compare and Swap，即是比较并替换。

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，需要替换的值 B。

它的规则是：当需要更新一个变量的值的时候，只有当变量的预期值 A 和内存地址 V 中的实际值相同的时候，才会把内存地址 V 对应的值替换成 B。

我们可以来看一个例子：

\1. 在内存地址 V 当中，存储着值为 10 的变量

\2. 此时线程 1 想要把变量的值增加 1，对于线程 1 而言，它旧的预期值 A=10，需要替换的最新值 B=11。

\3. 在线程 1 要提交更新之前，另外一个线程 2 抢先一步，将内存地址 V 中的值更新成了 11。

\4. 线程 1 开始提交更新的时候，按照 CAS 机制，首先进行 A 的值与内存地址 V 中的值进行比较，发现 A 不等于 V 中的实际值，于是提交失败。

\5. 线程 1 重新获取内存地址 V 的当前值，并重新计算想要修改的值。在现在而言，线程 1 旧的预期值 A=11，B=12. 这个重新尝试的过程被称为自旋。

\6. 这一次比较幸运，没有其他线程改变该变量的值，所以线程 1 进行 CAS 机制，比较旧的预期值 A 与内存地址 V 中的值，发现相同，此时可以替换。

\7. 线程 1 进行替换，把地址 V 的值替换成 B，也就是 12.

从思想上来看，synchronized 属于悲观锁，悲观的认为程序中的并发问题十分严重，所以严防死守，只让一个线程操作该代码块。而 CAS 属于乐观锁，乐观地认为程序中的并发问题并不那么严重，所以让线程不断的去尝试更新。

在 java 中除了上面提到的 Atomic 操作类，以及 Lock 系列类的底层实现，甚至在 jdk1.6 以上，在 synchronized 转变为重量级锁之前，也会采用 CAS 机制。

CAS 的优点自然是在并发问题不严重的时候性能比 synchronized 要快，缺点也有。

CAS 的缺点：

1.CPU 开销过大

在并发量比较高的时候，如果许多线程都尝试去更新一个变量的值，却又一直比较失败，导致提交失败，产生自旋，循环往复，会对 CPU 造成很大的压力和开销。

2. 不能确保代码块的原子性（注意是代码块）

CAS 机制所确保的是一个变量的原子性操作，而不能保证整个代码块的原子性，比如需要保证 3 个变量共同进行原子性的更新，就不得不使用 synchronized 或者 lock 了。

3.ABA 问题

这就是 CAS 最大的问题所在。下面说。

讲解了什么是 CAS 机制、CAS 与 synchronized 的区别、它的优点和缺点之后。
下面我们来介绍两个问题：

1.JAVA 中 CAS 的底层实现。

2.CAS 的 ABA 问题和解决方案。

我们使用 idea 查看一下 AtomicInteger 中常用的自增方法 incrementAndGet

incrementAndGet 调用的是 unsafe 的 getAndAddInt 方法并增加 1

其中 var1 是当前对象，var2 是内存地址 V 中的值，var6 是旧的期望值 A，var6+var4 则是需要替换的值 B。

可以看到，这一段代码是一个无限循环，也就是 CAS 的自旋，循环体中做了三件事：
\1. 获取当前的值，该方法使用 native 实现，底层是用其他语言实现的。

\2. 当前值 + var4，var4 就是上一个方法传进来的 1，计算出目标值 B

\3. 进行 CAS 操作，如果成功交换则跳出循环，如果失败则重复以上步骤。

那我们怎么保证 valueOffset 也就是 var2 是正确的内存中最新的值的呢？很简单，用 volatile 关键字来保证线程间的可见性，也就保证了是最新的值。

可以看到我们的代码始终和 unsafe 这个类相关，那什么是 unsafe 呢？java 语言不像 C，C++ 语言一样可以直接访问底层操作系统，但是 JVM 为我们开了一个后门，这个后门就是 unsafe，unsafe 为我们提供了硬件级别的原子操作。

至于 valueOffset 变量则是通过 unsafe 的 objectFieldOffset 获得，所代表的就是 AtomicInteger 对象 value 成员变量在内存中的偏移量。我们可以简单的把 valueOffset 理解成 value 变量的内存地址也就是 V 了。

我们前面说过，CAS 机制中使用了三种基本操作数：内存地址 V，旧的期望值 A，新的需要替换的值 B。

而 unsafe 的 compareAndSwapXxx 方法中的参数 var2 则就代表 valueOffset（内存地址 V），var6 代表 A，var6+var4 代表 B。

正是 unsafe 的 compareAndSwapXxx 方法保证了比较和替换之间的原子性操作！

现在我们来说下什么是 ABA 问题。

\1. 假设内存中有一个值为 A 的变量，存储在内存地址 V 中。

\2. 此时有三个线程想要使用 CAS 的方式更新这个变量的值，每个线程的执行时间有略微偏差。线程 1 和线程 2 已经获取当前值，线程 3 还未获取当前值。

\3. 接下来，线程 1 先一步执行成功，把当前值成功从 A 更新为 B；同时线程 2 因某种原因阻塞住，没有做更新操作，此时线程 3 在线程 1 更新之后，获取了当前值 B。

\4. 在之后，线程 2 仍然处于阻塞状态，线程 3 继续执行，成功把当前值从 B 更新成 A。

\5. 最后，线程 2 终于恢复了运行状态，由于阻塞之前已经获得到了” 当前值 A“，并且经过 compare 检测，内存地址 V 中的实际值也是 A，所以成功把变量 A 的值更新为 B。

看起来这个例子没有什么问题，但如果结合实际，就可以发现它的问题所在。

我们假设一个取款机的例子。假如有一个遵循 CAS 机制的取款机。小肖有 100 元存款，需要提取 50 元。但由于取款机硬件出现了问题，导致取款操作同时提交了两遍，开启了两个线程，两个线程都是获取当前值 100 元，要更新成 50 元。

理想情况下，应该一个线程更新成功，一个线程更新失败，小肖的存款只扣除一次，余额为 50.

线程 1 首先执行成功，把余额 100 更新为 50，同时线程 2 由于某种原因陷入了阻塞状态，这时候，小肖的妈妈汇款给了小肖 50 元。

线程 2 仍然是阻塞状态，线程 3 此时执行成功，把余额从 50 改成了 100.

这时候，线程 2 恢复运行，由于之前阻塞的时候获得了” 当前值 “100，并且经过 compare 检测，此时存款也的确是 100 元，所以成功把变量值从 100 更新成 50.

原本线程 2 应当提交失败，小肖的正确余额应该保持 100 元，结果由于 ABA 问题提交成功了。

这就是所谓的 ABA 问题，那么怎么解决呢？

添加版本号解决 ABA 问题

真正要做到严谨的 CAS 机制，我们在 compare 阶段不仅需要比较内存地址 V 中的值是否和旧的期望值 A 相同，还需要比较变量的版本号是否一致。

我们仍然以刚才的例子来说明，假设地址 V 中存储着变量值 A，当前版本号是 01. 线程 1 获取了当前值 A 和版本号 01，想要更新为 B，此时线程 1 陷入了阻塞状态。

这时候，内存地址 V 中的变量进行了多次改变，版本号提升到 03，但是变量值仍然是 A。

随后，线程 1 恢复运行，进行 compare 操作。首先经过比较，内存地址 V 中的值与当前值 A 相同，但是版本号不相同，所以这一次更新失败。

在 Java 中，AtomicStampedReference 类就实现了用版本号做比较的 CAS 机制。

1.Java 语言 CAS 底层是如何实现的？

答：利用 unsafe 提供的原子性操作方法。

2. 什么是 ABA 问题？怎么解决？

答：当一个值从 A 更新为 B，再从 B 更新为 A，普通 CAS 机制会误判通过检测。解决方案是使用版本号，通过比较值和版本号才判断是否可以替换。

全文完