Java之CAS操作

CAS操作

CAS是單詞compare and set的縮寫，意思是指在set之前先比較該值有沒有變化，只有在沒變的情況下才對其賦值。

我們常常做這樣的操作

if(a==b) {
    a++;
}

試想一下如果在做a++之前a的值被改變了怎麼辦？a++還執行嗎？出現該問題的原因是在多線程環境下，a的值處於一種不定的狀態。採用鎖可以解決此類問題，但CAS也可以解決，而且可以不加鎖。

int expect = a;
if(a.compareAndSet(expect,a+1)) {
    doSomeThing1();
} else {
    doSomeThing2();
}

這樣如果a的值被改變了a++就不會被執行。

按照上面的寫法，a!=expect之後,a++就不會被執行，如果我們還是想執行a++操作怎麼辦，沒關係，可以採用while循環

while(true) {
    int expect = a;
    if (a.compareAndSet(expect, a + 1)) {
        doSomeThing1();
        return;
    } else {
        doSomeThing2();
    }
}

採用上面的寫法，在沒有鎖的情況下實現了a++操作，這實際上是一種非阻塞算法。

應用

java.util.concurrent.atomic包中幾乎大部分類都採用了CAS操作，以AtomicInteger爲例，看看它幾個主要方法的實現：

public final int getAndSet(int newValue) {
    for (;;) {
        int current = get();
        if (compareAndSet(current, newValue))
            return current;
    }
}

getAndSet方法JDK文檔中的解釋是：以原子方式設置爲給定值，並返回舊值。原子方式體現在何處，就體現在compareAndSet上，看看compareAndSet是如何實現的：

public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}

不出所料，它就是採用的Unsafe類的CAS操作完成的。

再來看看a++操作是如何實現的：

public final int getAndIncrement() {
    for (;;) {
        int current = get();
        int next = current + 1;
        if (compareAndSet(current, next))
            return current;
    }
}

幾乎和最開始的實例一模一樣，也是採用CAS操作來實現自增操作的。

++a操作和a++操作類似，只不過返回結果不同罷了

public final int incrementAndGet() {
    for (;;) {
        int current = get();
        int next = current + 1;
        if (compareAndSet(current, next))
            return next;
    }
}

此外，java.util.concurrent.ConcurrentLinkedQueue類全是採用的非阻塞算法，裏面沒有使用任何鎖，全是基於CAS操作實現的。CAS操作可以說是JAVA併發框架的基礎，整個框架的設計都是基於CAS操作的。

缺點：

1、ABA問題

CAS操作容易導致ABA問題,也就是在做a++之間，a可能被多個線程修改過了，只不過回到了最初的值，這時CAS會認爲a的值沒有變。a在外面逛了一圈回來，你能保證它沒有做任何壞事，不能！！也許它討閒，把b的值減了一下，把c的值加了一下等等，更有甚者如果a是一個對象，這個對象有可能是新創建出來的，a是一個引用呢情況又如何，所以這裏面還是存在着很多問題的，解決ABA問題的方法有很多，可以考慮增加一個修改計數，只有修改計數不變的且a值不變的情況下才做a++，也可以考慮引入版本號，當版本號相同時才做a++操作等，這和事務原子性處理有點類似！

2、比較花費CPU資源，即使沒有任何爭用也會做一些無用功。

3、會增加程序測試的複雜度，稍不注意就會出現問題。

總結：

可以用CAS在無鎖的情況下實現原子操作，但要明確應用場合，非常簡單的操作且又不想引入鎖可以考慮使用CAS操作，當想要非阻塞地完成某一操作也可以考慮CAS。不推薦在複雜操作中引入CAS，會使程序可讀性變差，且難以測試，同時會出現ABA問題。