并发编程之深入理解CAS

并发编程之深入理解CAS

什么是 CAS

CAS,compare and swap的缩写，中文翻译成比较并交换。

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。

为什么要使用 CAS

在并发中，我们需要对一个数据进行更改，如果使用锁来保证原子性，首先在性能方面会设计到底层操作系统内核线程切换，这个开销是很大的，如果使用 CAS 实现的话，相比较之下不会设计到内核切换，开销比较轻。

使用伪代码表示

if (value == expectedValue) {
  value = newValue;
 }
1
2
3

一个由比较和赋值两阶段组成的复合操作，CAS 可以看作是它们合并后的整体 ——一个不可分割的原子操作，并且其原子性是直接在硬件层面得到保障的。

CAS可以看做是乐观锁（对比数据库的悲观、乐观锁）的一种实现方式，Java原子类中的递增操 作就通过CAS自旋实现的。 CAS是一种无锁算法，在不使用锁（没有线程被阻塞）的情况下实现多线程之间的变量同步。

• 1 首先读取内存中的实际值v 如果和自己的值E相等，计算赋值给更新的值 U 成功则返回 U
• 2 上面更新失败，则继续重试，成功则返回，失败则继续重试。

CAS应用

在Java中使用 CAS

CAS 操作是由 Unsafe 类提供支持的，该类定义了三种针对不同类型变量的 CAS 操 作

可以看到是本地方法，是由 JVM 实现的。 接收四个参数分别是

对象的实例，内存偏移量，字段期望值，字段新值。

CAS缺陷

CAS 虽然解决了原子性，但是有一些问题

• ABA 问题
• 只能保证一个共享变量的原子操作
• CAS 不成功，长时间会造成 CPU 空转，影响 CPU 开销

ABA问题

当有多个线程对一个原子类进行操作的时候，某个线程在短时间内将原子类的值A修改为B，又马 上将其修改为A，此时其他线程不感知，还是会修改成功。

main 线程不清楚另一个线程对这个变量进行了修改，可能误认为没有更改过。

ABA问题的解决

可以在每一次修改时给一个版本号，这也就是乐观锁的由来。

比如 Java中AtomicStampedReference类就提供了这样的功能

三个线程 t1,t2,t3 分别对变量进行修改,最后t3在更改为初始值。

  AtomicStampedReference atomicStampedReference = new AtomicStampedReference<>(1, 1);

        new Thread(() -> {
            boolean b = atomicStampedReference.compareAndSet(1, 2, atomicStampedReference.getStamp(), atomicStampedReference.getStamp() + 1);
            while (b) {
                if (b) {
                    System.out.println(" t1 修改成功  ");
                    return;
                } else {
                    System.out.println(" t1 修改失败  ");
                }
            }
        }, "t1 ").start();

        new Thread(() -> {
            boolean b = atomicStampedReference.compareAndSet(2, 3, atomicStampedReference.getStamp(), atomicStampedReference.getStamp() + 1);
            while (b) {
                if (b) {
                    System.out.println(" t2 修改成功  ");
                    return;
                } else {
                    System.out.println(" t2 修改失败  ");
                }
            }

        }, "t2 ").start();

        new Thread(() -> {
            boolean b = atomicStampedReference.compareAndSet(3, 1, atomicStampedReference.getStamp(), atomicStampedReference.getStamp() + 1);
            while (b) {
                if (b) {
                    System.out.println(" t3 修改成功  ");
                    return;

                } else {
                    System.out.println(" t3 修改失败  ");
                }
            }

        }, "t
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