CAS(Compare And Swap)分析

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CAS(Compare And Swap)指的是现代CPU广泛支持的一种对内存中的共享数据进行操作的一种特殊指令。这个指令会对内存中的共享数据做原子的读写操作。

简单介绍一下这个指令的操作过程：首先，CPU会将内存中将要被更改的数据与期望的值做比较。当这两个值相等时，CPU才会将内存中的数值替换为新的值，否则便不做操作。最后，CPU 会将当前变量的真实值返回。这一系列的操作是原子的。

CAS是一种乐观锁的思路，它相信在它修改之前，没有其它线程去修改它。而synchronized是一种悲观锁，它认为在它修改之前，一定会有其它线程去修改它，悲观锁效率很低。

虽然CAS的效率很高，但是CAS会引发ABA问题：
（1）进程P1在共享变量中读到值为A
（2）P1被抢占了，进程P2执行
（3）P2把共享变量里的值从A改成了B，再改回到A，此时被P1抢占。
（4）P1回来看到共享变量里的值没有被改变，于是继续执行。
虽然P1以为变量值没有改变，继续执行了，但是这个会引发一些潜在的问题。ABA问题在地址重用方面影响很大，而地址被重用是很经常发生的，一个内存分配后释放了，再分配，很有可能还是原来的地址，但是地址所指向的内存内容已经变了。

CAS，Compare And Swap，即比较并交换。Doug lea在同步组件中大量使用CAS技术鬼斧神工地实现了Java多线程的并发操作。整个AQS同步组件、Atomic原子类操作等等都是以CAS实现的，甚至ConcurrentHashMap在1.8的版本中也调整为了CAS+Synchronized。可以说CAS是整个JUC的基石。
CAS分析
在CAS中有三个参数：内存值V、旧的预期值A、要更新的值B，当且仅当内存值V的值等于旧的预期值A时才会将内存值V的值修改为B，否则什么都不干。其伪代码如下：

if(this.value == A){
    this.value = B
    return true;
} else{
    return false;
}

JUC下的atomic类都是通过CAS来实现的，下面就以AtomicInteger为例来阐述CAS的实现。如下：

private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
private static final long valueOffset;
static 
{
    try 
       {
            valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
                (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
        } catch (Exception ex)
        { 
            throw new Error(ex); 
        }
 }
private volatile int value;

注：
（1）valueOffset为变量值在内存中的偏移地址，unsafe就是通过偏移地址来得到数据的原值的。
（2）value当前值，使用volatile修饰，保证多线程环境下看见的是同一个。volatile保证可见性，但是不保证原子性

我们就以AtomicInteger的compareAndSet方法来做说明，先看源代码：

/**
 * Atomically sets the value to the given updated value
 * if the current value {@code ==} the expected value.
 *
 * @param expect the expected value
 * @param update the new value
 * @return {@code true} if successful. False return indicates that
 * the actual value was not equal to the expected value.
 */
public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}

内部调用unsafe的compareAndSwapInt方法：
public native boolean compareAndSwapInt(Object obj, long offset,int expect, int update); 
在obj的offset位置比较integer field和期望的值，如果相同则更新。这个方法的操作应该是原子的，因此提供了一种不可中断的方式更新integer field。
该方法为本地方法，有四个参数，分别代表：对象、对象的地址、预期值、修改值。

CAS可以保证一次的读-改-写操作是原子操作，在单处理器上该操作容易实现，但是在多处理器上实现就有点儿复杂了。CPU提供了两种方法来实现多处理器的原子操作：总线加锁或者缓存加锁。
总线加锁：总线加锁就是就是使用处理器提供的一个LOCK#信号，当一个处理器在总线上输出此信号时，其他处理器的请求将被阻塞住,那么该处理器可以独占使用共享内存。但是这种处理方式显得有点儿霸道，不厚道，他把CPU和内存之间的通信锁住了，在锁定期间，其他处理器都不能其他内存地址的数据，其开销有点儿大。所以就有了缓存加锁。
缓存加锁：其实针对于上面那种情况我们只需要保证在同一时刻对某个内存地址的操作是原子性的即可。缓存加锁就是缓存在内存区域的数据如果在加锁期间，当它执行锁操作写回内存时，处理器不在输出LOCK#信号，而是修改内部的内存地址，利用缓存一致性协议来保证原子性。缓存一致性机制可以保证同一个内存区域的数据仅能被一个处理器修改，也就是说当CPU1修改缓存行中的i时使用缓存锁定，那么CPU2就不能同时缓存了i的缓存行。

CAS缺陷
CAS虽然高效地解决了原子操作，但是还是存在一些缺陷的，主要表现在三个方法：循环时间太长、只能保证一个共享变量原子操作、ABA问题。
循环时间太长
如果CAS一直不成功呢？这种情况绝对有可能发生，如果自旋CAS长时间地不成功，则会给CPU带来非常大的开销。在JUC中有些地方就限制了CAS自旋的次数，例如BlockingQueue的SynchronousQueue。

只能保证一个共享变量原子操作
看了CAS的实现就知道这只能针对一个共享变量，如果是多个共享变量就只能使用锁了，当然如果你有办法把多个变量整成一个变量，利用CAS也不错。例如读写锁中state的高地位

ABA问题
CAS需要检查操作值有没有发生改变，如果没有发生改变则更新。但是存在这样一种情况：如果一个值原来是A，变成了B，然后又变成了A，那么在CAS检查的时候会发现没有改变，但是实质上它已经发生了改变，这就是所谓的ABA问题。对于ABA问题其解决方案是加上版本号，即在每个变量都加上一个版本号，每次改变时加1，即A —> B —> A，变成1A —> 2B —> 3A。

参考：

http://swiftlet.net/archives/2399

CAS(Compare And Swap)分析

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原文地址：http://www.cnblogs.com/winner-0715/p/7270805.html