并发编程之 CAS 原子操作

什么是原子操作？如何实现原子操作？

CAS：compare and swap 比较和交换

假定有两个操作 A 和 B，如果从执行 A 的线程来看，当另一个线程执行 B 时， 要么将 B 全部执行完，要么完全不执行 B，那么 A 和 B 对彼此来说是原子的。 实现原子操作可以使用锁，锁机制，满足基本的需求是没有问题的了，但是 有的时候我们的需求并非这么简单，我们需要更有效，更加灵活的机制， synchronized 关键字是基于阻塞的锁机制，也就是说当一个线程拥有锁的时候，访问同一资源的其它线程需要等待，直到该线程释放锁。

这里会有些问题：首先，如果被阻塞的线程优先级很高很重要怎么办？其次，如果获得锁的线程一直不释放锁怎么办？（这种情况是非常糟糕的）。还有一种情况，如果有大量的线程来竞争资源，那 CPU 将会花费大量的时间和资源来处理这些竞争，同时，还有可能出现一些例如死锁之类的情况，最后，其实锁机制是一种比较粗糙，粒度比较大的机制，相对于像计数器这样的需求有点儿过于笨重。

实现原子操作还可以使用当前的处理器基本都支持 CAS()的指令，只不过每个厂家所实现的算法并不一样，每一个 CAS 操作过程都包含三个运算符：一个内存地址 V，一个期望的值 A 和一个新值 B，操作的时候如果这个地址上存放的值等于这个期望的值 A，则将地址上的值赋为新值 B，否则不做任何操作。

CAS 的基本思路就是，如果这个地址上的值和期望的值相等，则给其赋予新值，否则不做任何事儿，但是要返回原值是多少。循环 CAS 就是在一个循环里不断的做 cas 操作，直到成功为止。

CAS 是怎么实现线程的安全呢？语言层面不做处理，我们将其交给硬件— CPU 和内存，利用 CPU 的多处理能力，实现硬件层面的阻塞，再加上 volatile 变量的特性即可实现基于原子操作的线程安全。

CAS 实现原子操作的三大问题

ABA 问题

因为 CAS 需要在操作值的时候，检查值有没有发生变化，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 1，那么 A→B→A 就会变成 1A→2B→3A。举个通俗点的例子，你倒了一杯水放桌子上，干了点别的事，然后同事把你水喝了又给你重新倒了一杯水，你回来看水还在，拿起来就喝，如果你不管水中间被人喝过，只关心水还在，这就是 ABA 问题。

如果你是一个讲卫生讲文明的小伙子，不但关心水在不在，还要在你离开的时候水被人动过没有，因为你是程序员，所以就想起了放了张纸在旁边，写上初 始值 0，别人喝水前麻烦先做个累加才能喝水。

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。

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。 还有一个取巧的办法，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 Java 1.5 开始，JDK 提供了 AtomicReference 类来保证引用对象之间的原子性，就可以把多个变量放在一个对象里来进行 CAS 操作。

代码示例

compare and swap 比较和交换，在 intel 的 CPU 中，使用 cmpxchg 指令实现。

在 Java 发展初期，java 语言是不能够利用硬件提供的这些便利来提升系统的性能的。而随着 java 不断的发展, Java 本地方法(JNI)的出现，使得 java 程序越过 JVM 直接调用本地方法提供了一种便捷的方式，因而 java 在并发的手段上也多了起来；CAS 操作包含三个操作数 —— 内存位置（V）、预期原值（A）和新值(B)。 如果内存位置的值与预期原值相匹配，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。无论哪种情况，它都会在 CAS 指令之前返回该位置的值；整个过程都是不可打断的，所以 CAS 是一个原子操作；主要是利用 CPU 的 CAS 指令，同时借助 JNI 来完成 Java 的非阻塞算法；

package com.mengweijin.learning.basic.cas;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

/**
 * CAS
 * result: 0
 */
public class AccountCas implements Account {
    public AccountCas(int balance) {
        this.balance = new AtomicInteger(balance);
    }

    private AtomicInteger balance;

    @Override
    public Integer query() {
        return this.balance.get();
    }

    @Override
    public void acquire(Integer i) {
        while (true) {
            int prev = balance.get();
            int next = prev - i;
            if (balance.compareAndSet(prev, next)) {
                break;
            }
        }
    }
}