深入理解CAS原理！

CAS（compareAndSwap）比较交换，是一种无锁原子算法，映射到操作系统就是一条cmpxchg硬件汇编指令（保证原子性）。

其作用是让CPU将内存值更新为新值，但是有个条件，内存值必须与期望值相同。

并且CAS操作无需用户态与内核态切换，直接在用户态对内存进行读写操作（意味着不会阻塞/线程上下文切换）。

它包含3个参数CAS（V，E，N），V表示待更新的内存值，E表示预期值，N表示新值。

当 V值等于E值时，才会将V值更新成N值，如果V值和E值不等，不做更新，这就是一次CAS的操作。

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CAS如何保证原子性

总线锁定:

指CPU使用了总线锁。

总线锁就是使用CPU提供的LOCK#信号，当CPU在总线上输出LOCK#信号时，其他CPU的总线请求将被阻塞。

缓存锁定：

总线锁定方式在锁定期间，会导致大量阻塞，增加系统的性能开销。

所谓缓存锁定是指CPU对缓存行进行锁定，当缓存行中的共享变量回写到内存时。

其他CPU会通过总线嗅探机制感知该共享变量是否发生变化，如果发生变化，让自己对应的共享变量缓存行失效。

重新从内存读取最新的数据，缓存锁定是基于缓存一致性机制来实现的。

因为缓存一致性机制会阻止两个以上CPU同时修改同一个共享变量（现代CPU基本都支持和使用缓存锁定机制）。

  • 缓存行是CPU高速缓存存储的最小单位。

CAS的问题

只能保证一个共享变量原子操作:

CAS只能针对一个共享变量使用，如果多个共享变量就只能使用锁了，也可以把多个变量整成一个变量。

  • 也可以利用一个新的类，来整合一组共享变量，利用 AtomicReference 来把这个新对象整体进行 CAS 操作。

自旋时间太长：

当一个线程获取锁时失败，不进行阻塞挂起，而是间隔一段时间再次尝试获取，直到成功为止，这种循环获取的机制被称为自旋。

自旋锁好处：

持有锁的线程在短时间内释放锁，那些等待竞争锁的线程就不需进入阻塞状态（无需线程上下文切换/无需用户态与内核态切换）。

它们只需要等一等（自旋），等到持有锁的线程释放锁之后即可获取，这样就避免了用户态和内核态的切换消耗。

自旋锁坏处：线程在长时间内持有锁，等待竞争锁的线程一直自旋，即CPU一直空转，资源浪费在毫无意义的地方。

ABA问题：

CAS需要检查待更新的内存值有没有被修改，如果没有则更新。

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，在CAS检查的时候会发现没有被修改。

  • 有两个线程，线程1读取到内存值A，线程1时间片用完，切换到线程2，线程2也读取到了内存值A。
  • 并把它修改为B值，然后再把B值还原到A值，修改次序是A->B->A。
  • 接着线程1恢复运行，它发现内存值还是A，然后执行CAS操作。

要解决ABA问题只要追加版本号即可，每次改变时加1。

即A —> B —> A，变成1A —> 2B —> 3A，在Java中提供了AtomicStampedRdference可以实现这个方案。