Java多线程之CAS机制详解

1. 什么是CAS？

CAS 全名 compare and swap （比较并交换）是一种基于 Java 实现的 计算机代数系统，用于多线程并发编程时数据在无锁的情况下保证线程安全安全运行。

CAS机制 主要用于对一个变量（操作）进行原子性的操作，它包含三个参数值：需要进行操作的变量A、变量的旧值B、即将要更改的新值C。

CAS机制 会对当前内存中的 A 进行判断看是否等同于 B ，如果相等则把 A 值更改为 C ，否则不进行操作。以下为 CAS 操作的一段伪代码：

        boolean CAS(A,B,C) {
            if (&A == B) {
                &A = C;
                return true;
            }
            return false;
        }

当然，以上代码不具有原子性只是简单理解 CAS 的判定以及返回机制。真正的 CAS 只是一条 CPU 指令，相比于上述代码具有原子性 。

在了解 CAS 的基本判定后下面我们来看如何通过 Java 标准库来运用 CAS 。

2. CAS的应用

2.1 实现原子类

CAS 可以不加锁保证操作的原子性，Java 标准库提供了 Atomic + 包装类，相关的组合类来实现原子操作，这些类都是在 java.util.concurrent.atomic 包底下的。

以常用的 AtomicInteger 类来举例，AtomicInteger 类底下的 getAndIncrement 方法达到的效果就是自增类似于 i++ 操作，getAndDecrement 方法就是自减类似于 i-- 操作。

因此 AtomicInteger 类常见的方法有：

• getAndIncrement 方法，自增操作，类似于 i++。
• getAndDecrement 方法，自减操作，类似于 i--。
• get 方法，获取当前 AtomicInteger 类引用的值。

当然，Atomic + 其他“数值”包装类也能使用以上方法！

代码案例，不使用 synchronized 的情况下保证一个线程自增5000，另一个线程也自增5000，最后返回两线程之和10000：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //初始化number为0
        AtomicInteger number = new AtomicInteger(0);
        //线程1使number自增5000次
        Thread thread1 = new Thread(()->{
            for (int i = 0; i < 5000; i++) {
                number.getAndIncrement();
            }
        });
        //线程2也使number自增5000次（在线程1执行后）
        Thread thread2 = new Thread(()->{
            for (int i = 0; i < 5000; i++) {
                number.getAndIncrement();
            }
        });
        thread1.start();//启动线程1
        thread2.start();//启动线程2
        thread1.join();//等待线程1执行完毕
        thread2.join();//等下线程2执行完毕
        System.out.println(number.get());//输出number的值
    }

 运行后打印：

以上代码，在不使用锁（synchronized）的情况下保证了线程的安全性。其底层运用的就是 CAS 机制，getAndIncrement 方法的具体实现，我们可以参考以下 伪代码 来理解：

class MyAtomicInteger {
    private int value;
    public int getAndIncrement() {
        int oldValue = value;
        while (CAS(value,oldValue,oldValue + 1) != true) {
            oldValue = value;
        }
        return oldValue;
    }
}

假设 getAndIncrement 方法被两个线程同时调用，线程1 和 线程2 的 oldValue 值都为 0，内存中的 value 值为0。

1）线程1 进入了 getAndIncrement 方法，此时线程1进行 CAS 判定，发现线程1的 oldValue = value，就把 value 进行自增。

2） 线程2 进入了 getAndIncrement 方法，此时 线程2 进行 CAS 判定，发现 oldValue != value，进入 while 循环，把 value 赋值给 old Value。

3）经过以上判断后，线程2 再次进行 CAS 判断时，发现 oldValue = value 了，此时的 value 值又会自增。

以上的 伪代码 就能实现一个原子类，里面的 getAndIncrement 方法也是具备原子性的。通过上述图例就能很好的理解。

2.2 实现自旋锁

CAS的自旋锁指的是在使用CAS操作时，当CAS操作失败后，线程不直接阻塞等待，而是继续尝试执行CAS操作，即对前一次CAS操作的失败进行重试，直到CAS操作成功为止。

自旋锁的意思是程序使用循环来等待特定条件的实现方式，相较于传统的阻塞锁，自旋锁不会使线程进入阻塞状态，因此避免了线程上下文切换带来的开销。通常，当线程竞争的资源空闲等待的时间不长，自旋锁是一种比较高效的同步机制。

CAS 自旋锁体现：一段 伪代码 ：

public class SpinLock {
  private Thread owner = null;
  public void lock(){
    // 通过 CAS 看当前锁是否被某个线程持有.
    // 如果这个锁已经被别的线程持有, 那么就自旋等待.
    // 如果这个锁没有被别的线程持有, 那么就把 owner 设为当前尝试加锁的线程.
    while(!CAS(this.owner, null, Thread.currentThread())){
   }
 }
  public void unlock (){
    this.owner = null;
 }
}

Thread.currentThread() 为当前对象的引用，以上代码进行 CAS 判定时：

如果判断 this.owner 为空，则把当前对象的引用赋值给 this.owner。此时 CAS 方法返回 true，并取反，while 循环退出。判断 this.owner 不为空，则不做任何操作，CAS 方法返回 false，并取反，while 循环继续执行。由于 while 循环体内没有任何内容，while 条件判断会执行很快，直到 this.owner 加锁成功为止。

这就是自旋锁的体现，关于锁的策略在本专栏中有详细讲解。大家可以前去查找。

3. CAS的ABA问题

ABA 问题是：当线程1首先读取到共享变量值A。然后线程2先把这个共享变量值修改为B，再修改回A。

此时其他线程再进行 CAS 操作时误以为共享变量值没有被修改过，从而成功的将共享变量更改为新值。

但实际过程中共享变量经历了 由 A 变为 B，再由 B 变为 A，这样就可能会导致一些问题。

类似于，网上购买一部二手机。买的时候，卖家说是零件完好，到手后才发现是一部翻新机。这样就会导致手机用不了几天就出问题。至于到手之前，卖家不说是识别不出这部手机的好坏的。

3.1 ABA问题可能引起的BUG

ABA 问题，就是 CAS 机制导致的数据反复横跳。

假设，张三要去 ATM 取钱，张三余额有 1000 元，他要取 500 元。他安排两个线程，线程1 和 线程2 来并发执行取钱操作。

预期效果：线程1 执行取钱操作判断余额为 1000，执行余额 -500 操作，此时余额 500，线程2 处于阻塞等待状态。当 线程2 执行取钱操作判断余额不是 1000 不执行 -500 操作。

ABA问题出现：线程 1 执行取钱操作判断余额为 1000，执行余额 -500 操作，此时余额 500，线程2 阻塞等待状态。突然，张三的朋友给他转账了 500 ，此时 余额又变回了 1000。

线程2 进入取钱操作时，判断余额为 1000 元，执行余额 -500 操作，此时余额剩余 500。这就是 ABA 问题造成的后果，张三回家后打开手机查看余额剩余 500，实际张三被 ABA 问题坑了 500元。

3.2 解决ABA问题

CAS 操作，是将需要改变的值 A 与旧值 B 进行比较，相等则把新值 C 赋值给 A ，否则不做改变。解决 CAS 出现 ABA 问题，我们可以引入一个版本号，比较版本号是否符合预期。

比如在网上购买一部二手机，卖家会将手机的翻新程度进行一个版本号标记，翻新1次记版本号1，翻新2次的记版本号2，以此类推。这时候，客户会根据版本号来选择翻新程度相应的手机。

• 当版本号和读到的版本号相等，则修改数据，并把版本号 + 1。
• 当版本号高于读到的版本号，就操作失败（认为数据已经被修改过了）

根据以下 伪代码 来理解：

num = 0;
version = 1;
old = version;
CAS(version,old,old+1,num);
public void CAS(version,oldVersion,oldVersion+1,num){
    if(version == oldVersion) {
        version = oldVersion + 1;
        num++;
    }
}

对以上代码进行一个讲解， version 作为版本号，当 version 版本号等于读到的 oldVersion 版本号，则把 oldVersion +1 赋值给 version，并且 num ++ 。这样就能避免 ABA 问题的出现。

当然，Java 中 提供了一个 AtomicStampedReference<>类，这个类可以对某个类进行保证，这样就能提供上述的版本号管理功能。

public class TestDemo {
    private static final AtomicStampedReference<Integer> sharedValue = new AtomicStampedReference<>(10, 0);
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            int expectedStamp = sharedValue.getStamp();
            int newValue = 20;
            sharedValue.compareAndSet(10, newValue, expectedStamp, expectedStamp + 1);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " updated sharedValue to " + newValue);
        }, "Thread-1");
        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            int expectedStamp = sharedValue.getStamp();
            int oldValue = sharedValue.getReference();
            int newValue = 30;
            sharedValue.compareAndSet(oldValue, newValue, expectedStamp, expectedStamp + 1);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " updated sharedValue to " + newValue);
        }, "Thread-2");
        thread1.start();
        thread1.join();
        thread2.start();
        thread2.join();
        System.out.println("final value: " + sharedValue.getReference());
    }
}

运行后打印：

以上代码，共享变量的初始值为10，然后线程1将共享变量的值修改为20，线程2将共享变量的值修改为30。由于AtomicStampedReference类包含版本号信息，因此即使共享变量的值在这个过程中发生了ABA的变化，CAS操作也可以正常进行，不会出现误判现象。

谈谈你对 CAS 机制的理解？

CAS 全称 compare and swap 即比较并交换，它通过一个原子的操作完成“读取内存，比较是否相等，修改内存”这三个步骤，本质上需要 CPU 指令的支持。

ABA 问题如何解决？

我们可以给修改的数据加上一个版本号，初始化当前版本号与旧的版本号相等。判断当前版本号如果等于旧版本号则对数据进行修改，并使版本号自增。判断当前版本号大于旧版本号，则不进行任何操作。

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