Java编程cas操作全面解析

CAS 指的是现代 CPU 广泛支持的一种对内存中的共享数据进行操作的一种特殊指令。这个指令会对内存中的共享数据做原子的读写操作。

简单介绍一下这个指令的操作过程：首先，CPU 会将内存中将要被更改的数据与期望的值做比较。然后，当这两个值相等时，CPU 才会将内存中的数值替换为新的值。否则便不做操作。最后，CPU 会将旧的数值返回。这一系列的操作是原子的。它们虽然看似复杂，但却是 Java 5 并发机制优于原有锁机制的根本。简单来说，CAS 的含义是“我认为原有的值应该是什么，如果是，则将原有的值更新为新值，否则不做修改，并告诉我原来的值是多少”。（这段描述引自《Java并发编程实践》）

简单的来说，CAS有3个操作数，内存值V，旧的预期值A，要修改的新值B。当且仅当预期值A和内存值V相同时，将内存值V修改为B，否则返回V。这是一种乐观锁的思路，它相信在它修改之前，没有其它线程去修改它；而Synchronized是一种悲观锁，它认为在它修改之前，一定会有其它线程去修改它，悲观锁效率很低。

下面看一个简单的例子：

if(a==b) {
  a++;
} 

试想一下如果在做a++之前a的值被改变了怎么办？a++还执行吗？出现该问题的原因是在多线程环境下，a的值处于一种不定的状态。采用锁可以解决此类问题，但CAS也可以解决，而且可以不加锁。

int expect = a;
if(a.compareAndSet(expect,a+1)) {
  doSomeThing1();
} else {
  doSomeThing2();
} 

这样如果a的值被改变了a++就不会被执行。

按照上面的写法，a!=expect之后,a++就不会被执行，如果我们还是想执行a++操作怎么办，没关系，可以采用while循环

while(true) {
  int expect = a;
  if (a.compareAndSet(expect, a + 1)) {
    doSomeThing1();
    return;
  } else {
    doSomeThing2();
  }
} 

采用上面的写法，在没有锁的情况下实现了a++操作，这实际上是一种非阻塞算法。

应用

java.util.concurrent.atomic包中几乎大部分类都采用了CAS操作，以AtomicInteger为例，看看它几个主要方法的实现：

public final int getAndSet(int newValue) {
  for (;;) {
    int current = get();
    if (compareAndSet(current, newValue))
      return current;
  }
} 

getAndSet方法JDK文档中的解释是：以原子方式设置为给定值，并返回旧值。原子方式体现在何处，就体现在compareAndSet上，看看compareAndSet是如何实现的：

public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
  return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
} 

不出所料，它就是采用的Unsafe类的CAS操作完成的。

再来看看a++操作是如何实现的：

public final int getAndIncrement() {
  for (;;) {
    int current = get();
    int next = current + 1;
    if (compareAndSet(current, next))
      return current;
  }
} 

几乎和最开始的实例一模一样，也是采用CAS操作来实现自增操作的。

++a操作和a++操作类似，只不过返回结果不同罢了

public final int incrementAndGet() {
  for (;;) {
    int current = get();
    int next = current + 1;
    if (compareAndSet(current, next))
      return next;
  }
} 

此外，java.util.concurrent.ConcurrentLinkedQueue类全是采用的非阻塞算法，里面没有使用任何锁，全是基于CAS操作实现的。CAS操作可以说是JAVA并发框架的基础，整个框架的设计都是基于CAS操作的。

缺点：

1、ABA问题

维基百科上给了一个活生生的例子——

你拿着一个装满钱的手提箱在飞机场，此时过来了一个火辣性感的美女，然后她很暖昧地挑逗着你，并趁你不注意的时候，把用一个一模一样的手提箱和你那装满钱的箱子调了个包，然后就离开了，你看到你的手提箱还在那，于是就提着手提箱去赶飞机去了。

这就是ABA的问题。

CAS操作容易导致ABA问题,也就是在做a++之间，a可能被多个线程修改过了，只不过回到了最初的值，这时CAS会认为a的值没有变。a在外面逛了一圈回来，你能保证它没有做任何坏事，不能！！也许它讨闲，把b的值减了一下，把c的值加了一下等等，更有甚者如果a是一个对象，这个对象有可能是新创建出来的，a是一个引用呢情况又如何，所以这里面还是存在着很多问题的，解决ABA问题的方法有很多，可以考虑增加一个修改计数，只有修改计数不变的且a值不变的情况下才做a++，也可以考虑引入版本号，当版本号相同时才做a++操作等，这和事务原子性处理有点类似！

2、比较花费CPU资源，即使没有任何争用也会做一些无用功。

3、会增加程序测试的复杂度，稍不注意就会出现问题。

总结

可以用CAS在无锁的情况下实现原子操作，但要明确应用场合，非常简单的操作且又不想引入锁可以考虑使用CAS操作，当想要非阻塞地完成某一操作也可以考虑CAS。不推荐在复杂操作中引入CAS，会使程序可读性变差，且难以测试，同时会出现ABA问题。

以上是本文关于Java编程cas操作的全部内容，希望对大家能有所帮助。