CAS机制

简介

CAS，即Compare and Swap，意为比较并交换

关于锁，也许最先想到的是synchronized关键字，但synchronized关键字会让没有得到锁资源的线程进入BLOCKED状态，而后在争夺到锁资源后恢复为RUNNABLE状态，这个过程中涉及到操作系统用户模式和内核模式的转换，代价比较高。

尽管JAVA 1.6为synchronized做了优化，增加了从偏向锁到轻量级锁再到重量级锁的过过度，但是在最终转变为重量级锁之后，性能仍然比较低。所以面对这种情况，我们就可以使用java中的“原子操作类”。即是java.util.concurrent.atomic包下，一系列以Atomic开头的包装类。如AtomicBoolean，AtomicUInteger，AtomicLong。它们分别用于Boolean，Integer，Long类型的原子性操作。
Atomic操作类的底层正是用到了“CAS机制”
接下来就详细讲讲什么是“CAS机制”

详解

来看这样一段代码

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class CASTest {
    private static Integer count = 0;
    private static Integer count2 = 0;
    private static AtomicInteger count3 = new AtomicInteger(0);
    public static void main(String[] args) {
        for (int j=0;j<2;j++){
            new Thread(()->{
                try {
                    Thread.sleep(10);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                for (int i=0;i<100;i++){
                    count++;
                }
            }).start();
        }
        try {
            Thread.sleep(2000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("count="+count);


        for (int j=0;j<2;j++){
            new Thread(()->{
                try {
                    Thread.sleep(10);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                for (int i=0;i<100;i++){
                    synchronized (CASTest.class){
                        count2++;
                    }
                }
            }).start();
        }
        try {
            Thread.sleep(2000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("count2="+count2);


        for (int j=0;j<2;j++){
            new Thread(()->{
                try {
                    Thread.sleep(10);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                for (int i=0;i<100;i++){
                    count3.incrementAndGet();
                }
            }).start();
        }
        try {
            Thread.sleep(2000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("count3="+count3);

    }
}

这段输出的结果：


也就是说，不加锁无法保证count最后结果为200，加synchronized关键字和使用Atomic类能保证最终结果为200，但是使用Atomic类的性能会更高一些。因为Atomic操作类的底层正是用到了“CAS机制”。

CAS机制中使用了3个基本操作数：内存地址V，旧的预期值A，要修改的新值B。

更新一个变量的时候，只有当变量的预期值A和内存地址V当中的实际值相同时，才会将内存地址V对应的值修改为B。

我们看一个例子：

1. 在内存地址V当中，存储着值为10的变量。

2. 此时线程1想把变量的值增加1.对线程1来说，旧的预期值A=10，要修改的新值B=11.

3. 在线程1要提交更新之前，另一个线程2抢先一步，把内存地址V中的变量值率先更新成了11。

4. 线程1开始提交更新，首先进行A和地址V的实际值比较，发现A不等于V的实际值，提交失败。

image

5. 线程1 重新获取内存地址V的当前值，并重新计算想要修改的值。此时对线程1来说，A=11，B=12。这个重新尝试的过程被称为自旋。

6. 这一次比较幸运，没有其他线程改变地址V的值。线程1进行比较，发现A和地址V的实际值是相等的。

7. 线程1进行交换，把地址V的值替换为B，也就是12.

从思想上来说，synchronized属于悲观锁，悲观的认为程序中的并发情况严重，所以严防死守，CAS属于乐观锁，乐观地认为程序中的并发情况不那么严重，所以让线程不断去重试更新。

在java中除了上面提到的Atomic系列类，以及Lock系列类夺得底层实现，甚至在JAVA1.6以上版本，synchronized转变为重量级锁之前，也会采用CAS机制。

下面通过看下并发包中的原子操作类AtomicInteger来看下，如何在不使用锁的情况下保证线程安全，主要看下getAndIncrement方法，相当于i++的操作：

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {  
    private volatile int value; 
 
    public final int get() {  
        return value;  
    }  
 
    public final int getAndIncrement() {  
        for (;;) {  
            int current = get();  
            int next = current + 1;  
            if (compareAndSet(current, next))  
                return current;  
        }  
    }  
 
    public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {  
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);  
    }  
}

首先value使用了volatile修饰，这就保证了他的可见性与有序性，getAndIncrement采用CAS操作，每次从内存中读取数据然后将数据进行+1操作，然后对原数据，+1后的结果进行CAS操作，成功的话返回结果，否则重试直到成功为止。其中调用了compareAndSet利用JNI（java navite Interface navite修饰的方法，都是java调用其他语言的方法来实现的）来完成CPU的操作。其中compareAndSwapInt类似如下逻辑：

if (this == expect) {
     this = update
     return true;
 } else {
     return false;
 }

this == expect和this = update，这两个步骤是如何保证原子性的呢？

JAVA实现CAS的原理：
compareAndSwapInt是借助C来调用CPU底层指令实现的。
下面从分析比较常用的CPU（intel x86）来解释CAS的实现原理。下面是sun.misc.Unsafe类的compareAndSwapInt()方法的源代码：

public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset,
                                               int expected, int x);

再看下在JDK中依次调用的C++代码为：

#define LOCK_IF_MP(mp) __asm cmp mp, 0  \
                       __asm je L0      \
                       __asm _emit 0xF0 \
                       __asm L0:
inline jint     Atomic::cmpxchg    (jint     exchange_value, volatile jint*     dest, jint     compare_value) {
  // alternative for InterlockedCompareExchange
  int mp = os::is_MP();
  __asm {
    mov edx, dest
    mov ecx, exchange_value
    mov eax, compare_value
    LOCK_IF_MP(mp)
    cmpxchg dword ptr [edx], ecx
  }
}

如上面源代码所示，程序会根据当前处理器（CPU）的类型来决定是否为cmpxchg指令添加lock前缀。如果程序是在多处理器（多核CPU）上运行，就为cmpxchg指令加上lock前缀（lock cmpxchg）。反之，如果程序是在单处理器上运行，就省略lock前缀（单处理器自身会维护单处理器内的顺序一致性，不需要lock前缀提供的内存屏障效果）。也就是说，最终会执行到现成的编译指令cmpxchg，但是这条指令无法保证操作的原子性，加上lock前缀，也就是最终指令lock cmpxchg使得这一操作为原子操作

CAS的缺点：

1、CPU开销过大

自旋CAS（不成功，就一直循环执行，直到成功）如果长时间不成功，会给CPU带来非常大的执行开销。如果JVM能支持处理器提供的pause指令那么效率会有一定的提升，pause指令有两个作用，第一它可以延迟流水线执行指令（de-pipeline）,使CPU不会消耗过多的执行资源，延迟的时间取决于具体实现的版本，在一些处理器上延迟时间是零。第二它可以避免在退出循环的时候因内存顺序冲突（memory order violation）而引起CPU流水线被清空（CPU pipeline flush），从而提高CPU的执行效率。

2、不能保证代码块的原子性

CAS机制所保证的知识一个变量的原子性操作，而不能保证整个代码块的原子性。比如需要保证3个变量共同进行原子性的更新，就不得不使用synchronized了。

3、ABA问题

假设内存中有一个值为A的变量，存储在地址V中。

此时有三个线程想使用CAS的方式更新这个变量的值，每个线程的执行时间有略微偏差。线程1和线程2已经获取当前值，线程3还未获取当前值。

接下来，线程1先一步执行成功，把当前值成功从A更新为B；同时线程2因为某种原因被阻塞住，没有做更新操作；线程3在线程1更新之后，获取了当前值B。

在之后，线程2仍然处于阻塞状态，线程3继续执行，成功把当前值从B更新成了A。

最后，线程2终于恢复了运行状态，由于阻塞之前已经获得了“当前值A”，并且经过compare检测，内存地址V中的实际值也是A，所以成功把变量值A更新成了B。

总结

CAS与Synchronized的使用情景：

1、对于资源竞争较少（线程冲突较轻）的情况，使用synchronized同步锁进行线程阻塞和唤醒切换以及用户态内核态间的切换操作额外浪费消耗cpu资源；而CAS基于硬件实现，不需要进入内核，不需要切换线程，操作自旋几率较少，因此可以获得更高的性能。

2、对于资源竞争严重（线程冲突严重）的情况，CAS自旋的概率会比较大，从而浪费更多的CPU资源，效率低于synchronized。

　补充： synchronized在jdk1.6之后，已经改进优化。synchronized的底层实现主要依靠Lock-Free的队列，基本思路是自旋后阻塞，竞争切换后继续竞争锁，稍微牺牲了公平性，但获得了高吞吐量。在线程冲突较少的情况下，可以获得和CAS类似的性能；而线程冲突严重的情况下，性能远高于CAS。

参考文章：
https://blog.csdn.net/qq_37113604/article/details/81582784
https://blog.csdn.net/qq_32998153/article/details/79529704

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