【Java多線程】 CAS —— 一文了解CAS到底是什麼

學過多線程就會接觸到併發，併發再多線程中的重要性不言而喻，在Java中還有併發包，裏面實現了各種各樣的方法來幫助我們解決多線程帶來的各種問題。而要想讀懂這些底層問題，CAS是繞不過的知識，大多底層都是以CAS來實現的。今天就帶大家來學習CAS相關的知識。

一、什麼是CAS?

CAS: 全稱Compare and swap，字面意思:" 比較並交換 "
一個CAS涉及到的操作數有：

• 內存值V
• 舊的預期值A
• 要修改的新值B

有了這三個操作數，在看看它的操作：

1. 首先輸入舊的預期值A 和修改後的新值 B
2. 對比變量是舊值和內存值是否相同
3. 如果相同，將舊值改爲新值

這也就側面的表現出了對於多個線程都對某個值進行修改時，保證了修改前拿到的值是期望值纔會操作。

二、爲什麼要有CAS

還記得之前多線程的經典例子嘛，就是多個線程同時對一個共享變量進行修改值，最終修改後的值大概率不是正確的結果。也就是對於i ++ 操作，在多線程中是保證不了它的正確性。
原因呢，就是i ++ 本身並不是一個原子性的操作，它可以分成三步：

1. 從主內存中讀取到 i 的值
2. 對 i 進行+1 操作
3. 寫回到主內存

這就導致多線程在執行該操作時，線程A、B可能同時從主內存中獲得一個值後分別 +1 後寫回到主內存。導致結果的錯誤，這時候你就會想到 那用 鎖 唄！ 所以解決的方式就是使用synchronized關鍵字來進行加鎖。
的確，這種多線程導致的原子性問題可以加鎖，使得衆多線程競爭鎖，拿到鎖的線程纔可以進行下一步的操作，其它線程則都開始阻塞，直到這個線程釋放了鎖後，喚醒其它線程，再次開始競爭鎖。
但對於線程的阻塞和喚醒都是非常消耗時間的! 如果像i ++ 的操作，僅僅只是每次進行加一操作就要經歷線程喚醒和重新競爭鎖，未免有些大材小用。

而這時候，就可以使用CAS機制中的compareAndSet方法，也就是比較並設值。
當多個線程同時對某個資源進行CAS操作，只能有一個線程操作成功，但是並不會阻塞其他線程,其他線程只會收到操作失敗的信號。可見 CAS 其實是一個樂觀鎖。

三、CAS是怎麼實現的？

看了上面的解釋，你可能還會有些疑惑，CAS怎麼保證的在設置值的時候的原子性呢？看起來也是進行了比較值和設置值的操作呀？
其實，這都是操作系統的功勞！在操作系統中這麼多操作實際上就是一條指令操作。

針對不同的操作系統，JVM 用到了不同的 CAS 實現原理：

• java 的 CAS 利用的的是 unsafe 這個類提供的 CAS 操作；
• unsafe 的 CAS 依賴了的是 jvm 針對不同的操作系統實現的 Atomic::cmpxchg；
• Atomic::cmpxchg 的實現使用了彙編的 CAS 操作，並使用 cpu 硬件提供的 lock 機制保證其原子性。

看起來很複雜，其實只要知道：是因爲硬件予以了支持，軟件層面才能做到。

四、CAS有哪些應用？

實現原子類
Java中的atomic包下的原子類，都是通過CAS實現的。

/**
     * Atomically increments by one the current value.
     *
     * @return the updated value
     */
    public final int incrementAndGet() {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
    }
    public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
        int var5;
        do {
            var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
        } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));

        return var5;
    }

可以參考另一篇文章——> Java中atomic包下的原子操作類

五、CAS存在的問題

1. 典型的就是ABA的問題，也就是先將值改變，再改回去，看起來好像就是沒有改變一樣，CAS也發現不了這個過程。 對於基本類型的值來說，這種把數字改變了在改回原來的值是沒有太大影響的，但如果是對於引用類型的話，就會產生很大的影響了。
   📌解決這個問題就是加入版本信息，也就是每一個線程修改值後，版本信息都會改變，這樣即使兩個線程是持有相同引用，但版本信息卻不一致，我們也認爲是不一樣的。這樣也可以防止ABA問題。在Java中的 AtomicStampedReference 這個類是可以提供版本控制的。
2. 對於線程過多的問題，當太多線程進行CAS，每次判斷都會發現值已經不再是期望的原始值，這就會導致很多線程是在白白的空轉，效率降低。
   📌爲了解決這個問題Java8 引入了一個 cell[] 數組，線程少時，就使用CAS機制。當過多的線程請求時，就會將多個線程分組，並將cell中的元素分配給某一組線程，而這組線程對數的操作就會在cell中進行，到最後，將cell中的元素在進行合併。

由以上着問題我們也可以看出來，CAS由於其不會阻塞線程的特點，而是一直在循環，這就使得它的適用場景就是代碼能很快的執行，如果代碼執行時間過長，就會導致其它線程調用方法長時間處於失敗狀態。

好啦，這就是CAS的一些基本的知識了，自己總結的也還有些不到位，如果大家感興趣，建議研究源碼，可以學到很多。如果文章有什麼問題，歡迎留言指正。也歡迎點贊關注一起進步😀