# CAS 机制

# 我们先看一段代码：

启动两个线程，每个线程中让静态变量 count 循环累加 100 次。

最终输出的 count 结果一定是 200 吗？因为这段代码是非线程安全的，所以最终的自增结果很可能会小于 200。我们再加上 synchronized 同步锁，再来看一下。

加了同步锁之后，count 自增的操作变成了原子性操作，所以最终输出一定是 count=200，代码实现了线程安全。虽然 synchronized 确保了线程安全，但是在某些情况下，这并不是一个最有的选择。

关键在于性能问题。

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”。

所谓原子操作类，指的是 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。

现在我们尝试使用 AtomicInteger 类：

使用 AtomicInteger 之后，最终的输出结果同样可以保证是 200。并且在某些情况下，代码的性能会比 synchronized 更好。

而 Atomic 操作类的底层正是用到了 “CAS 机制”。

CAS 是英文单词 Compare and Swap 的缩写，翻译过来就是比较并替换。

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。

\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。

CAS 的缺点：

1） CPU 开销过大

在并发量比较高的情况下，如果许多线程反复尝试更新某一个变量，却又一直更新不成功，循环往复，会给 CPU 带来很到的压力。

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

这是 CAS 机制最大的问题所在。（后面有介绍）

我们下面来介绍一下两个问题：

*1. JAVA 中 CAS 的底层实现 *

*2. CAS 的 ABA 问题和解决办法。*

我们看一下 AtomicInteger 当中常用的自增方法 incrementAndGet：

public final int incrementAndGet() {

for (;😉 {

​ int current = get();

​ int next = current + 1;

​ if (compareAndSet(current, next))

​ return next;

}

}

private volatile int value;

public final int get() {

return value;

}

这段代码是一个无限循环，也就是 CAS 的自旋，循环体中做了三件事：

\1. 获取当前值

\2. 当前值 + 1，计算出目标值

\3. 进行 CAS 操作，如果成功则跳出循环，如果失败则重复上述步骤

这里需要注意的重点是 get 方法，这个方法的作用是获取变量的当前值。

如何保证获取的当前值是内存中的最新值？很简单，用 volatile 关键字来保证（保证线程间的可见性）。我们接下来看一下 compareAndSet 方法的实现：

compareAndSet 方法的实现很简单，只有一行代码。这里涉及到两个重要的对象，一个是 unsafe，一个是 valueOffset。

什么是 unsafe 呢？Java 语言不像 C，C++ 那样可以直接访问底层操作系统，但是 JVM 为我们提供了一个后门，这个后门就是 unsafe。unsafe 为我们提供了硬件级别的原子操作。

至于 valueOffset 对象，是通过 unsafe.objectFiledOffset 方法得到，所代表的是 AtomicInteger 对象 value 成员变量在内存中的偏移量。我们可以简单的把 valueOffset 理解为 value 变量的内存地址。

我们上面说过，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。

而 unsafe 的 compareAndSwapInt 方法的参数包括了这三个基本元素：valueOffset 参数代表了 V，expect 参数代表了 A，update 参数代表了 B。

正是 unsafe 的 compareAndSwapInt 方法保证了 Compare 和 Swap 操作之间的原子性操作。

我们现在来说什么是 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。

看起来这个例子没啥问题，但如果结合实际，就可以发现它的问题所在。

我们假设一个提款机的例子。假设有一个遵循 CAS 原理的提款机，小灰有 100 元存款，要用这个提款机来提款 50 元。

由于提款机硬件出了点问题，小灰的提款操作被同时提交了两次，开启了两个线程，两个线程都是获取当前值 100 元，要更新成 50 元。

理想情况下，应该一个线程更新成功，一个线程更新失败，小灰的存款值被扣一次。

线程 1 首先执行成功，把余额从 100 改成 50. 线程 2 因为某种原因阻塞。这时，小灰的妈妈刚好给小灰汇款 50 元。

线程 2 仍然是阻塞状态，线程 3 执行成功，把余额从 50 改成了 100。

线程 2 恢复运行，由于阻塞之前获得了 “当前值” 100，并且经过 compare 检测，此时存款实际值也是 100，所以会成功把变量值 100 更新成 50。

原本线程 2 应当提交失败，小灰的正确余额应该保持 100 元，结果由于 ABA 问题提交成功了。

怎么解决呢？加个版本号就可以了。

真正要做到严谨的 CAS 机制，我们在 compare 阶段不仅要比较期望值 A 和地址 V 中的实际值，还要比较变量的版本号是否一致。

我们仍然以刚才的例子来说明，假设地址 V 中存储着变量值 A，当前版本号是 01。线程 1 获取了当前值 A 和版本号 01，想要更新为 B，但是被阻塞了。

这时候，内存地址 V 中变量发生了多次改变，版本号提升为 03，但是变量值仍然是 A。

随后线程 1 恢复运行，进行 compare 操作。经过比较，线程 1 所获得的值和地址的实际值都是 A，但是版本号不相等，所以这一次更新失败。

在 Java 中，AtomicStampedReference 类就实现了用版本号作比较额 CAS 机制。

*1. java 语言 CAS 底层如何实现？*

* 利用 unsafe 提供的原子性操作方法。*

*2. 什么事 ABA 问题？怎么解决？*

* 当一个值从 A 变成 B，又更新回 A，普通 CAS 机制会误判通过检测。*

* 利用版本号比较可以有效解决 ABA 问题。*

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