并发——详细介绍CAS机制
一、前言
今天花了点时间了解了一下JDK1.8中ConcurrentHashMap的实现，发现它实现的主要思想就是依赖于CAS机制。CAS机制是并发中比较重要的一个概念，所以今天这篇博客就来详细介绍一下CAS机制以及Java中对CAS的适用。
二、正文
2.1 乐观锁与悲观锁
在讲CAS之前，先来理解两个概念，即乐观锁和悲观锁：
- 乐观锁：在并发下对数据进行修改时保持乐观的态度，认为在自己修改数据的过程中，其他线程不会对同一个数据进行修改，所以不对数据加锁，但是会在最终更新数据前，判断一下这个数据有没有被修改，若没有被修改，才将它更新为自己修改的值；
- 悲观锁：在并发下对数据进行修改时保持悲观的态度，认为在自己修改数据的过程中，其他线程也会对数据进行修改，所以在操作前会对数据加锁，在操作完成后才将锁释放，而在释放锁之前，其他线程无法操作数据；
CAS其实就是乐观锁的一种实现方式，而悲观锁比较典型的就是Java中的synchronized。下面我就来详细介绍一下CAS的相关概念。
2.2 什么是CAS？
CAS全称compare and swap——比较并替换，它是并发条件下修改数据的一种机制，包含三个操作数：
- 需要修改的数据的内存地址（V）；
- 对这个数据的旧预期值（A）；
- 需要将它修改为的值（B）；
CAS的操作步骤如下：
- 修改前记录数据的内存地址V；
- 读取数据的当前的值，记录为A；
- 修改数据的值变为B；
- 查看地址V下的值是否仍然为A，若为A，则用B替换它；若地址V下的值不为A，表示在自己修改的过程中，其他的线程对数据进行了修改，则不更新变量的值，而是重新从步骤2开始执行，这被称为自旋；
通过以上四个步骤对内存中的数据进行修改，就可以保证数据修改的原子性。CAS是乐观锁的一种实现，所以这里介绍的步骤和乐观锁的定义差不多，还是很好理解的。
2.3 Java中CAS的使用
Java中大量使用的CAS，比如，在java.util.concurrent.atomic包下有很多的原子类，如AtomicInteger、AtomicBoolean......这些类提供对int、boolean等类型的原子操作，而底层就是通过CAS机制实现的。比如AtomicInteger类有一个实例方法，叫做incrementAndGet，这个方法就是将AtomicInteger对象记录的值+1并返回，与i++类似。但是这是一个原子操作，不会像i++一样，存在线程不一致问题，因为i++不是原子操作。比如如下代码，最终一定能够保证num的值为200：
// 声明一个AtomicInteger对象
AtomicInteger num = new AtomicInteger(0);
// 线程1
new Thread(()->{
for (int i = 0; i < 100; i++) {
// num++
num.incrementAndGet();
}
}).start();
// 线程2
new Thread(()->{
for (int i = 0; i < 100; i++) {
// num++
num.incrementAndGet();
}
}).start();
Thread.sleep(1000);
System.out.println(num);
我们看看incrementAndGet方法的源码：
public final int incrementAndGet() {
return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
}
这里使用了一个unsafe对象，而unsafe对象是什么呢？我们知道，Java并不能像C或C++一样，直接操作内存，但是JVM为我们提供了一个后门，就是sun.misc.Unsafe类，这个类为我们实现了很多硬件级别的原子方法，当然，这些方法都是native方法，使用其他语言实现，而不是Java方法。而上面的另外一个变量valueOffset就是我们需要修改的变量在内存中的偏移量。也许上面这个方法并不能让你感觉使用了CAS，那再看看下面这个方法：
public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}
compareAndSet是AtomicInteger的另一个方法，它的作用就是给定一个预期的旧值expect，以及需要更新为的值update，若当前变量的值是expect，就将其修改为update，否则不修改（这不就是CAS的思想吗）。而它底层调用了unsafe对象的compareAndSwapInt方法，从这个名字可以看出，它的实现使用的就是CAS。compareAndSwapInt的三个参数valueOffset、expect以及update，刚好对应了CAS操作的三个操作数。
2.4 CAS机制的ABA问题
CAS机制虽然简单，但是也存在一些缺陷，其中比较典型的就是ABA问题。什么是ABA问题，我简单介绍一下：
- 假设有三个线程
T1、T2和T3，它们都要对一个变量num的值进行修改，且使用的都是CAS机制进行同步，假设num的初始值为100； - 线程
T1首先读取了num的值，将它记录为旧预期A1 = 100，然后它想要将num的值修改为80，记录B2 = 80，在执行num = B2前，线程发生了切换，切换到线程T2； - 假设
T2毫无阻碍地修改了num的值，将它从100修改为80，然后线程再度切换，T3开始执行； T3也是毫无阻碍地修改了num，将它从80重新修改为100，线程再次切换回T1；T1从上次运行的断点恢复，也就是准备用B1的值覆盖num，但是由于CAS机制，它需要先检测num的值是否等于它记录的预期值A1，然后它发现A1 = num = 100，认为num没有被修改过，于是用B1覆盖了num；
上面这种情况就是CAS的ABA问题：一个变量被修改，但是又被改了回去，在CAS机制中，将无法察觉这种错误的现象。在线程T1被中断的过程中，num的值被修改，按照CAS的原则，T1应该放弃对num的修改，从头开始执行。有人可能想问，修改回去之后，不就和没修改一样吗，有什么影响呢？其实我也不知道有什么影响.....找遍网上的博客，举的例子都是在扯淡，误人子弟（看的最多的例子就是那个银行取钱的，一个人乱写，其他人乱copy，真心服了）。如果有知道ABA问题影响的朋友，麻烦告知一下。
对于ABA问题的解决方案也非常简单，那就是再添加一个变量——版本号。每个变量都加上一个版本号，在它被修改时，也同步修改版本号，而CAS操作在修改前记录版本号，若在最后更新变量时，记录的版本号与当前版本号一致，表示没有被修改，可直接更新。
2.5 CAS的优缺点以及适用场景
（1）优点
前面也提到过，CAS是一种乐观锁，其优点就是不需要加锁就能进行原子操作；
（2）缺点
CAS的缺点主有两点：
CAS机制只能用在对某一个变量进行原子操作，无法用来保证多个变量或语句的原子性（synchronized可以）；- 假设在修改数据的过程中经常与其他线程修改冲突，将导致需要多次的重新尝试；
（3）适用场景
由上面分析的优缺点可以看出，CAS适用于并发冲突发生频率较低的场合，而对于并发冲突较频繁的场合，CAS由于不断重试，反倒会降低效率。
三、总结
CAS是一种在并发下实现原子操作的机制，但是只能用来保证一个变量的原子性，适用于并发冲突频率较低的场合。
四、参考
推荐两篇描述CAS的博客，这两篇博客通过漫画对CAS进行了非常详细的描述：
