CAS机制与自旋锁

CAS（Compare-and-Swap），即比较并替换，java并发包中许多Atomic的类的底层原理都是CAS。

它的功能是判断内存中某个地址的值是否为预期值，如果是就改变成新值，整个过程具有原子性。

具体体现于sun.misc.Unsafe类中的native方法，调用这些native方法，JVM会帮我们实现汇编指令，这些指令是CPU的原子指令，因此具有原子性。

1 1 public class CASDemo {
2 2 
3 3     public static void main(String[] args) {
4 4 
5 5         //初始值5
6 6         AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(5);
7 7 
8 8         //和5比较,设置为10
9 9         System.out.println("预期值:5,当前值:"+atomicInteger);
1010         System.out.println("是否设置成功:"+atomicInteger.compareAndSet(5, 10));
1111         //和5比较,设置为15
1212         System.out.println("预期值:5,当前值:"+atomicInteger);
1313         System.out.println("是否设置成功:"+atomicInteger.compareAndSet(5, 15));
1414 
1515         System.out.println("当前值:"+atomicInteger);
1616     }
1717 }

输出为：

1预期值:5,当前值:5
2是否设置成功:true
3预期值:5,当前值:10
4是否设置成功:false
5当前值:10

下面看一下getAndAddInt在底层Unsafe类中的代码（自旋锁），运用到了CAS

1//va1为对象，var2为地址值，var4是要增加的值，var5为当前地址中最新的值public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
2        int var5;
3        do {
4            var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
5        } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));
6
7        return var5;
8    }

首先通过volatile的可见性，取出当前地址中的值，作为期望值。如果期望值与实际值不符，就一直循环获取期望值，直到set成功。

适用场景：

　　1. CAS 适合简单对象的操作，比如布尔值、整型值等；

　　2. CAS 适合冲突较少的情况，如果太多线程在同时自旋，那么长时间循环会导致 CPU 开销很大；

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：如果内存地址V初次读取的值是A，在CAS等待期间它的值曾经被改成了B，后来又被改回为A，那CAS操作就会误认为它从来没有被改变过。

ABA问题以及解决：使用带版本号的原子引用AtomicStampedRefence<V>，或者叫时间戳的原子引用，类似于乐观锁。

1 0 // ABA问题及解决方式 1　public class ABADemo {
2 2 
3 3     private static AtomicReference<String> atomicReference = new AtomicReference<>("A");
4 4     private static AtomicStampedReference<String> stampReference = new AtomicStampedReference<>("A",1);
5 5 
6 6     public static void main(String[] args){
7 7         new Thread(()->{
8 8             //获取到版本号
9 9             int stamp = stampReference.getStamp();
1010             System.out.println("t1获取到的版本号："+stamp);
1111             try {
1212                 //暂停1秒,确保t1,t2版本号相同
1313                 TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
1414             } catch (InterruptedException e) {
1515                 e.printStackTrace();
1616             }
1717             atomicReference.compareAndSet("A","B");
1818             atomicReference.compareAndSet("B","A");
1919 
2020             stampReference.compareAndSet("A","B",stamp,stamp+1);
2121             stampReference.compareAndSet("B","A",stamp+1,stamp+2);
2222             System.out.println("t1线程ABA之后的版本号："+stampReference.getStamp());
2323 
2424         },"t1").start();
2525 
2626         new Thread(()->{
2727             //获取到版本号
2828             int stamp = stampReference.getStamp();
2929             System.out.println("t2获取到的版本号："+stamp);
3030             try {
3131                 //暂停2秒,等待t1执行完成ABA
3232                 TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
3333             } catch (InterruptedException e) {
3434                 e.printStackTrace();
3535             }
3636             System.out.print("普通原子类无法解决ABA问题： ");
3737             System.out.println(atomicReference.compareAndSet("A","C")+"\t"+atomicReference.get());
3838             System.out.print("版本号的原子类解决ABA问题： ");
3939             System.out.println(stampReference.compareAndSet("A","C",stamp,stamp+1)+"\t"+stampReference.getReference());
4040 
4141         },"t2").start();
4242     }
4343 }

输出结果：普通原子引用类在另一个线程完成ABA之后继续修改（把A改成了C），带版本号原子引用有效的解决了这个问题。

1t1获取到的版本号：1
2t2获取到的版本号：1
3t1线程ABA之后的版本号：3
4普通原子类无法解决ABA问题： true    C
5版本号的原子类解决ABA问题： false    A