面试官: 有了解过CAS和原子操作吗？说说看

乐观锁 & 悲观锁

在正式讲解之前，我们先了解一下这两个概念

悲观锁

顾名思义，假使情况是最糟糕的，在程序中的提现就是对资源的抢夺。对于悲观锁来说，它总是认为每次访问共享资源时会发生冲突，所以必须对每次数据操作加上锁，以保证临界区的程序同一时间只能有一个线程在执行。

乐观锁

与其相反，乐观锁总是假设对共享资源的访问没有冲突，线程可以不停地执行，无需加锁也无需等待。而一旦多个线程发生冲突，乐观锁通常是使用一种称为CAS的技术来保证线程执行的安全性。

因为没有锁，所以就不存在死锁的情况。大家不放试想一下，他们分别适合什么样的场景

• 乐观锁多用于读多写少的环境，避免频繁加锁影响性能

• 悲观锁多用于写多读少的环境，避免频繁失败和重试影响性能

CAS

概述

CAS的全称是：比较并交换（Compare And Swap）。在CAS中，有这样三个值

• V：要更新的变量(var)
• E：预期值(expected) (也称为旧值)
• N：新值(new)

有没有很熟悉，上节我们讲源码的时候有提到过~ 大致过程如下:

判断更新的变量是否等于预期值，如果等于，将该值设置为新的值；如果不等，说明已经有其它线程更新了变量，则当前线程放弃更新，什么都不做。

那么会不会出现我即将要更新的值被其它线程更新了呢❓

不会的，原因在于CAS是一种原子操作。

原子操作

原子操作（atomic operation）是指不被线程调度打断的操作,通常有一系列操作组合而成，该操作开始到执行结束，期间不会有任何线程切换，从而保证了cpu资源不会被其它线程争夺。简单的来说这种操作不会中断，要么成功，要么失败，可以保证线程的安全性。

当多个线程同时使用CAS操作一个变量时，只有一个成功更新，其余都失败，但失败的线程并不会被挂起，仅是被告知失败，并且允许再次尝

Java中的CAS操作具体实现

在Java中，通常使用sun.misc.Unsafe类,该类下的方法都是native方法，所以Java本身不负责具体实现，通常由底层的jvm,c,c++来实现

public final native boolean compareAndSwapObject(Object o, long offset,
                                                     Object expected,
                                                     Object x);
 
public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset,
                                                  int expected,
                                                  int x);        
 
public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset,
                                                  int expected,
                                                  int x);                                                                                          

这些操作都是和底层cpu以及操作系统有关的,所以不同的操作系统下，它们的底层实现可能不太一样。在之前的学习中，我们遇到的一些源码，底层也是都有调用它的，这个大家了解一下就行。

既然它不是Java来实现，那么Java本身有没有借助它们实现一些好用的CAS操作呢❓下面我们一起看一下

原子操作类

有时候大家可能注意到了，在java.util.concurrent.atomic包下，JDK提供了一些好用的原子操作类,包名展开下面都是Atomic开头的类名，从字面意思可以大致知道它们是操作不同类型,这里以比较常用的类AtomicInteger为例

public final int getAndAdd(int delta) {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta);
    }
 

这个方法可以用原子方式将给定值添加到当前值。我们可以看到调用了unsafe下的一个方法

private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();

下面我们接着看 unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta);

public final int getAndAddInt(Object o, long offset, int delta) {
        int v;
        do {
            v = getIntVolatile(o, offset);
            // 以原子方式更新
        } while (!compareAndSwapInt(o, offset, v, v + delta));
        return v;
    }

这里可以看到，如果CAS操作失败，会自旋，直到成功，最后返回。猜一下，这里为什么用do❓这个也很好理解，我们需要返回的是被其他线程改变之后的旧值了，因此放在了do循环体内。

CAS产生的问题

同样的，CAS操作也会产生问题，下面一起看下有哪些问题

ABA问题

ABA问题，就是一个值原来是A，变成了B，又变回了A。这个时候使用CAS是检查不出变化的，但实际上却被更新了两次。

ABA问题的解决思路是在变量前面追加上版本号或者时间戳。从JDK 1.5开始，JDK的atomic包里提供了一个类AtomicStampedReference类来解决ABA问题。

这个类的compareAndSet方法的作用是首先检查当前引用是否等于预期引用，并且检查当前标志是否等于预期标志，如果二者都相等，才使用CAS设置为新的值和标志。

public boolean compareAndSet(V   expectedReference,
                             V   newReference,
                             int expectedStamp,
                             int newStamp) {
    Pair<V> current = pair;
    return
        expectedReference == current.reference &&
        expectedStamp == current.stamp &&
        ((newReference == current.reference &&
          newStamp == current.stamp) ||
         casPair(current, Pair.of(newReference, newStamp)));
}

循环时间长开销大

CAS多与自旋结合。如果自旋CAS长时间不成功，会占用大量的CPU资源。

我们可以通过JVM支持处理器提供的pause指令, 能让自旋失败时cpu睡眠一小段时间再继续自旋，从而使得读操作的频率低很多

只能保证一个共享变量的原子操作

给大家介绍两种方式:

• 使用提供的AtomicReference

• 使用锁

结束语

本节主要给大家介绍了CAS和原子操作，有些部分大家了解一下就好。下一节，带大家学习线程池的基本使用 ~

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