2.2.7 CAS原子操作

乐观锁与悲观锁

我们都知道，cpu是时分复用的，也就是把cpu的时间片，分配给不同的thread/process轮流执行，时间片与时间片之间，需要进行cpu切换，也就是会发生进程的切换。切换涉及到清空寄存器，缓存数据。然后重新加载新的thread所需数据。当一个线程被挂起时，加入到阻塞队列，在一定的时间或条件下，在通过notify()，notifyAll()唤醒回来。 在某个资源不可用的时候，就将cpu让出，把当前等待线程切换为阻塞状态。等到资源(比如一个共享数据）可用了，那么就将线程唤醒，让他进入runnable状态等待cpu调度。这就是典型的悲观锁的实现。 独占锁是一种悲观锁，synchronized就是一种独占锁，它假设最坏的情况，认为一个线程修改共享数据的时候其他线程也会修改该数据，因此只在确保其它线程不会造成干扰的情况下执行，会导致其它所有需要锁的线程挂起，等待持有锁的线程释放锁。

但是，由于在进程挂起和恢复执行过程中存在着很大的开销。当一个线程正在等待锁时，它不能做任何事，所以悲观锁有很大的缺点。举个例子，如果一个线程需要某个资源，但是这个资源的占用时间很短，当线程第一次抢占这个资源时，可能这个资源被占用，如果此时挂起这个线程，可能立刻就发现资源可用，然后又需要花费很长的时间重新抢占锁，时间代价就会非常的高。

所以就有了乐观锁的概念，他的核心思路就是，每次不加锁而是假设修改数据之前其他线程一定不会修改，如果因为修改过产生冲突就失败就重试，直到成功为止。 在上面的例子中，某个线程可以不让出cpu，而是一直while循环，如果失败就重试，直到成功为止。所以，当数据争用不严重时，乐观锁效果更好。比如CAS就是一种乐观锁思想的应用。

CAS

CAS 操作包含三个操作数 —— 内存位置（V）、预期原值（A）和新值(B)。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。否则，处理器不做任何操作。

举个CAS操作的应用场景的一个例子，当一个线程需要修改共享变量的值。完成这个操作，先取出共享变量的值赋给A，然后基于A的基础进行计算，得到新值B，完了需要更新共享变量的值了，这个时候就可以调用CAS方法更新变量值了。

在java中可以通过锁和循环CAS的方式来实现原子操作。Java中java.util.concurrent.atomic包相关类就是 CAS的实现，atomic包里包括以下类：

下面我们来已AtomicIneger的源码为例来看看CAS操作：

public final int getAndAdd(int delta) {
    for (; ; ) {
        int current = get();
        int next = current + delta;
        if (compareAndSet(current, next))
            return current;
    }
}

这里很显然使用CAS操作（for(;;)里面），他每次都从内存中读取数据，+1操作，然后两个值进行CAS操作。如果成功则返回，否则失败重试，直到修改成功为止。上面源码最关键的地方有两个，一个for循环，它代表着一种宁死不屈的精神，不成功誓不罢休。还有就是compareAndSet：

public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}

compareAndSet方法内部是调用Java本地方法compareAndSwapInt来实现的，而compareAndSwapInt方法内部又是借助C来调用CPU的底层指令来保证在硬件层面上实现原子操作的。在intel处理器中，CAS是通过调用cmpxchg指令完成的。这就是我们常说的CAS操作（compare and swap）。

CAS的问题

CAS虽然很高效的解决原子操作，但是CAS仍然存在三大问题。ABA问题，循环时间长开销大和只能保证一个共享变量的原子操作。

1. ABA问题。因为CAS需要在操作值的时候检查下值有没有发生变化，如果没有发生变化则更新，但是如果一个值原来是A，变成了B，又变成了A，那么使用CAS进行检查时会发现它的值没有发生变化，但是实际上却变化了。ABA问题的解决思路就是使用版本号。在变量前面追加上版本号，每次变量更新的时候把版本号加一，那么A－B－A 就会变成1A-2B－3A。从Java1.5开始JDK的atomic包里提供了一个类AtomicStampedReference来解决ABA问题。这个类的compareAndSet方法作用是首先检查当前引用是否等于预期引用，并且当前标志是否等于预期标志，如果全部相等，则以原子方式将该引用和该标志的值设置为给定的更新值。
2. 循环时间长开销大。自旋CAS如果长时间不成功，会给CPU带来非常大的执行开销。
3. 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。