在JDK 5之前Java語(yǔ)言是靠synchronized關(guān)鍵字保證同步的，這會(huì)導(dǎo)致有鎖

鎖機(jī)制存在以下問(wèn)題：

（1）在多線程競(jìng)爭(zhēng)下，加鎖、釋放鎖會(huì)導(dǎo)致比較多的上下文切換和調(diào)度延時(shí)，引起性能問(wèn)題。

? ? ? ?加鎖后，獲得CPU資源。那么會(huì)進(jìn)入內(nèi)核態(tài)進(jìn)行線程切換，而用戶(hù)態(tài)到內(nèi)核態(tài)的切換會(huì)耗費(fèi)資源，延遲。

（2）一個(gè)線程持有鎖會(huì)導(dǎo)致其它所有需要此鎖的線程掛起。

（3）如果一個(gè)優(yōu)先級(jí)高的線程等待一個(gè)優(yōu)先級(jí)低的線程釋放鎖會(huì)導(dǎo)致優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)，引起性能風(fēng)險(xiǎn)。

volatile是不錯(cuò)的機(jī)制，但是volatile不能保證原子性。因此對(duì)于同步最終還是要回到鎖機(jī)制上來(lái)。

獨(dú)占鎖是一種悲觀鎖，synchronized就是一種獨(dú)占鎖，會(huì)導(dǎo)致其它所有需要鎖的線程掛起，等待持有鎖的線程釋放鎖。

而另一個(gè)更加有效的鎖就是樂(lè)觀鎖。所謂樂(lè)觀鎖就是，每次不加鎖而是假設(shè)沒(méi)有沖突而去完成某項(xiàng)操作，如果因?yàn)闆_突失敗就重試（自旋），直到成功為止。樂(lè)觀鎖用到的機(jī)制就是CAS，Compare and Swap。

一、什么是CAS

CAS,compare and swap的縮寫(xiě)，中文翻譯成比較并交換。

我們都知道，在java語(yǔ)言之前，并發(fā)就已經(jīng)廣泛存在并在服務(wù)器領(lǐng)域得到了大量的應(yīng)用。所以硬件廠商老早就在芯片中加入了大量直至并發(fā)操作的原語(yǔ)，從而在硬件層面提升效率。在intel的CPU中，使用cmpxchg指令。

在Java發(fā)展初期，java語(yǔ)言是不能夠利用硬件提供的這些便利來(lái)提升系統(tǒng)的性能的。而隨著java不斷的發(fā)展,Java本地方法(JNI)的出現(xiàn)，使得java程序越過(guò)JVM直接調(diào)用本地方法提供了一種便捷的方式，因而java在并發(fā)的手段上也多了起來(lái)。而在Doug Lea提供的cucurenct包中，CAS理論是它實(shí)現(xiàn)整個(gè)java包的基石。

CAS 操作包含三個(gè)操作數(shù) —— 內(nèi)存位置（V）、預(yù)期原值（A）和新值(B)。如果內(nèi)存位置的值與預(yù)期原值相匹配，那么處理器會(huì)自動(dòng)將該位置值更新為新值。否則，處理器不做任何操作。無(wú)論哪種情況，它都會(huì)在 CAS 指令之前返回該位置的值。（在 CAS 的一些特殊情況下將僅返回 CAS 是否成功，而不提取當(dāng)前值。）CAS 有效地說(shuō)明了“我認(rèn)為位置 V 應(yīng)該包含值 A；如果包含該值，則將 B 放到這個(gè)位置；否則，不要更改該位置，只告訴我這個(gè)位置現(xiàn)在的值即可。”（CAS保存了V位置的原來(lái)A值，當(dāng)再次去訪問(wèn)時(shí)，若還是舊A，則替換成B，否則，不替換）

通常將 CAS 用于同步的方式是從地址 V 讀取值 A，執(zhí)行多步計(jì)算來(lái)獲得新值 B，然后使用 CAS 將 V 的值從 A 改為 B。如果 V 處的值尚未同時(shí)更改，則 CAS 操作成功。

類(lèi)似于CAS 的指令允許算法執(zhí)行讀-修改-寫(xiě)操作，而無(wú)需害怕其他線程同時(shí)修改變量，因?yàn)槿绻渌€程修改變量，那么 CAS 會(huì)檢測(cè)它（并失敗），算法可以對(duì)該操作重新計(jì)算。

說(shuō)白了就是，首先我讀取主存地址V中的A值，進(jìn)行修改操作后得到B，當(dāng)我把新值B刷回主存之前會(huì)查看此時(shí)V這里的A值，是不是和之前取回時(shí)的A值一致，如果是，則很大程度上說(shuō)明在此期間沒(méi)有其他線程對(duì)這個(gè)變量A進(jìn)行操作（為什么不是一定，因?yàn)锳BA），就將B替換A的值，此時(shí)V存儲(chǔ)的是新值B。否則，就不替換，這個(gè)修改A到B的操作失敗，繼續(xù)循環(huán)，再將新A拿回去繼續(xù)之前的操作，知道滿(mǎn)足CAS為止。

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二、CAS的目的

利用CPU的CAS指令，同時(shí)借助JNI來(lái)完成Java的非阻塞算法。其它原子操作都是利用類(lèi)似的特性完成的。而整個(gè)J.U.C都是建立在CAS之上的，因此對(duì)于synchronized阻塞算法，J.U.C（java.util.concurrent）在性能上有了很大的提升。

三、CAS存在的問(wèn)題

CAS雖然很高效的解決原子操作，但是CAS仍然存在三大問(wèn)題。ABA問(wèn)題，循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)開(kāi)銷(xiāo)大(空旋)和只能保證一個(gè)共享變量的原子操作

1. ?ABA問(wèn)題。因?yàn)镃AS需要在操作值的時(shí)候檢查下值有沒(méi)有發(fā)生變化，如果沒(méi)有發(fā)生變化則更新，但是如果一個(gè)值原來(lái)是A，變成了B，又變成了A，那么使用CAS進(jìn)行檢查時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)它的值沒(méi)有發(fā)生變化，但是實(shí)際上卻變化了。ABA問(wèn)題的解決思路就是使用版本號(hào)。在變量前面追加上版本號(hào)，每次變量更新的時(shí)候把版本號(hào)加一，那么A－B－A 就會(huì)變成1A-2B－3A。

從Java1.5開(kāi)始JDK的atomic包里提供了一個(gè)類(lèi)AtomicStampedReference來(lái)解決ABA問(wèn)題。這個(gè)類(lèi)的compareAndSet方法作用是首先檢查當(dāng)前引用是否等于預(yù)期引用，并且當(dāng)前標(biāo)志是否等于預(yù)期標(biāo)志，如果全部相等，則以原子方式將該引用和該標(biāo)志的值設(shè)置為給定的更新值。

關(guān)于ABA問(wèn)題參考文檔:?http://blog.hesey.net/2011/09/resolve-aba-by-atomicstampedreference.html

2. 循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)開(kāi)銷(xiāo)大。自旋CAS如果長(zhǎng)時(shí)間不成功，會(huì)給CPU帶來(lái)非常大的執(zhí)行開(kāi)銷(xiāo)。如果JVM能支持處理器提供的pause指令那么效率會(huì)有一定的提升，pause指令有兩個(gè)作用，第一它可以延遲流水線執(zhí)行指令（de-pipeline）,使CPU不會(huì)消耗過(guò)多的執(zhí)行資源，延遲的時(shí)間取決于具體實(shí)現(xiàn)的版本，在一些處理器上延遲時(shí)間是零。第二它可以避免在退出循環(huán)的時(shí)候因內(nèi)存順序沖突（memory orderviolation）而引起CPU流水線被清空（CPU pipelineflush），從而提高CPU的執(zhí)行效率。

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3. 只能保證一個(gè)共享變量的原子操作。當(dāng)對(duì)一個(gè)共享變量執(zhí)行操作時(shí)，我們可以使用循環(huán)CAS的方式來(lái)保證原子操作，但是對(duì)多個(gè)共享變量操作時(shí)，循環(huán)CAS就無(wú)法保證操作的原子性，這個(gè)時(shí)候就可以用鎖，或者有一個(gè)取巧的辦法，就是把多個(gè)共享變量合并成一個(gè)共享變量來(lái)操作。比如有兩個(gè)共享變量i＝2,j=a，合并一下ij=2a，然后用CAS來(lái)操作ij。從Java1.5開(kāi)始JDK提供了AtomicReference類(lèi)來(lái)保證引用對(duì)象之間的原子性，你可以把多個(gè)變量放在一個(gè)對(duì)象里來(lái)進(jìn)行CAS操作。

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四、concurrent包的實(shí)現(xiàn)? ? ？？？

由于java的CAS同時(shí)具有 volatile 讀和volatile寫(xiě)的內(nèi)存語(yǔ)義，因此Java線程之間的通信現(xiàn)在有了下面四種方式：

1.??????A線程寫(xiě)volatile變量，隨后B線程讀這個(gè)volatile變量。

2.??????A線程寫(xiě)volatile變量，隨后B線程用CAS更新這個(gè)volatile變量。

3.??????A線程用CAS更新一個(gè)volatile變量，隨后B線程用CAS更新這個(gè)volatile變量。

4.??????A線程用CAS更新一個(gè)volatile變量，隨后B線程讀這個(gè)volatile變量。

Java的CAS會(huì)使用現(xiàn)代處理器上提供的高效機(jī)器級(jí)別原子指令，這些原子指令以原子方式對(duì)內(nèi)存執(zhí)行讀-改-寫(xiě)操作，這是在多處理器中實(shí)現(xiàn)同步的關(guān)鍵（從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，能夠支持原子性讀-改-寫(xiě)指令的計(jì)算機(jī)器，是順序計(jì)算圖靈機(jī)的異步等價(jià)機(jī)器，因此任何現(xiàn)代的多處理器都會(huì)去支持某種能對(duì)內(nèi)存執(zhí)行原子性讀-改-寫(xiě)操作的原子指令）。同時(shí)，volatile變量的讀/寫(xiě)和CAS可以實(shí)現(xiàn)線程之間的通信。把這些特性整合在一起，就形成了整個(gè)concurrent包得以實(shí)現(xiàn)的基石。如果我們仔細(xì)分析concurrent包的源代碼實(shí)現(xiàn)，會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)通用化的實(shí)現(xiàn)模式：

1.??????首先，聲明共享變量為volatile；

2.??????然后，使用CAS的原子條件更新來(lái)實(shí)現(xiàn)線程之間的同步；

3.??????同時(shí)，配合以volatile的讀/寫(xiě)和CAS所具有的volatile讀和寫(xiě)的內(nèi)存語(yǔ)義來(lái)實(shí)現(xiàn)線程之間的通信。

AQS，非阻塞數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和原子變量類(lèi)（java.util.concurrent.atomic包中的類(lèi)），這些concurrent包中的基礎(chǔ)類(lèi)都是使用這種模式來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而concurrent包中的高層類(lèi)又是依賴(lài)于這些基礎(chǔ)類(lèi)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。從整體來(lái)看，concurrent包的實(shí)現(xiàn)示意圖如下：

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的多线程：CAS的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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