前言

Java并发编程系列番外篇C A S（Compare and swap），文章格调仍然是图文并茂，通俗易懂，让读者们也能与面试官疯狂对线。

C A S作为并发编程必不可少的基础知识，面试时C A S也是个高频考点，所以说C A S是必知必会，本文将带读者们深刻了解C A S。

纲要

C A S基本概念

C A S（compareAndSwap）也叫比拟替换，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（保障原子性），其作用是让C P U将内存值更新为新值，然而有个条件，内存值必须与期望值雷同，并且C A S操作无需用户态与内核态切换，间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）。

它蕴含3个参数C A S（V，E，N），V示意待更新的内存值，E示意预期值，N示意新值，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C A S的操作。

简略说，C A S须要你额定给出一个期望值，也就是你认为这个变量当初应该是什么样子的，如果变量不是你设想的那样，阐明它曾经被他人批改过了，你只须要从新读取，设置新期望值，再次尝试批改就好了。

C A S如何保障原子性

原子性是指一个或者多个操作在C P U执行的过程中不被中断的个性，要么执行，要不执行，不能执行到一半（不可被中断的一个或一系列操作）。

为了保障C A S的原子性，C P U提供了上面两种形式

• 总线锁定
• 缓存锁定

总线锁定

总线（B U S）是计算机组件间的传输数据形式，也就是说C P U与其余组件连贯传输数据，就是靠总线实现的，比方C P U对内存的读写。

总线锁定是指C P U应用了总线锁，所谓总线锁就是应用C P U提供的LOCK#信号，当C P U在总线上输入LOCK#信号时，其余C P U的总线申请将被阻塞。

缓存锁定

总线锁定形式尽管保障了原子性，然而在锁定期间，会导致大量阻塞，减少零碎的性能开销，所以古代C P U为了晋升性能，通过锁定范畴放大的思维设计出了缓存行锁定（缓存行是C P U高速缓存存储的最小单位）。

所谓缓存锁定是指C P U对缓存行进行锁定，当缓存行中的共享变量回写到内存时，其余C P U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，让本人对应的共享变量缓存行生效，从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C P U同时批改同一个共享变量（古代C P U根本都反对和应用缓存锁定机制）。

C A S的问题

C A S和锁都解决了原子性问题，和锁相比没有阻塞、线程上下文你切换、死锁，所以C A S要比锁领有更优越的性能，然而C A S同样存在毛病。

C A S的问题如下

• 只能保障一个共享变量的原子操作
• 自旋工夫太长（建设在自旋锁的根底上）
• ABA问题

只能保障一个共享变量原子操作

C A S只能针对一个共享变量应用，如果多个共享变量就只能应用锁了，当然如果你有方法把多个变量整成一个变量，利用C A S也不错，例如读写锁中state的高下位。

自旋工夫太长

当一个线程获取锁时失败，不进行阻塞挂起，而是距离一段时间再次尝试获取，直到胜利为止，这种循环获取的机制被称为自旋锁(spinlock)。

自旋锁益处是，持有锁的线程在短时间内开释锁，那些期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），它们只须要等一等（自旋），等到持有锁的线程开释锁之后即可获取，这样就防止了用户态和内核态的切换耗费。

自旋锁害处不言而喻，线程在长时间内持有锁，期待竞争锁的线程始终自旋，即CPU始终空转，资源节约在毫无意义的中央，所以个别会限度自旋次数。

最初来说自旋锁的实现，实现自旋锁能够基于C A S实现，先定义lockValue对象默认值1，1代表锁资源闲暇，0代表锁资源被占用，代码如下

public class SpinLock {
    
    //lockValue 默认值1
    private AtomicInteger lockValue = new AtomicInteger(1);
    
    //自旋获取锁
    public void lock(){

        // 循环检测尝试获取锁
        while (!tryLock()){
            // 空转
        }

    }
    
    //获取锁
    public boolean tryLock(){
        // 期望值1，更新值0，更新胜利返回true，更新失败返回false
        return lockValue.compareAndSet(1,0);
    }
    
    //开释锁
    public void unLock(){
        if(!lockValue.compareAndSet(1,0)){
            throw new RuntimeException("开释锁失败");
        }
    }

}

下面定义了AtomicInteger类型的lockValue变量，AtomicInteger是Java基于C A S实现的Integer原子操作类，还定义了3个函数lock、tryLock、unLock

tryLock函数-获取锁

• 期望值1，更新值0
• C A S更新
• 如果期望值与lockValue值相等，则lockValue值更新为0，返回true，否则执行上面逻辑
• 如果期望值与lockValue值不相等，不做任何更新，返回false

unLock函数-开释锁

• 期望值0，更新值1
• C A S更新
• 如果期望值与lockValue值相等，则lockValue值更新为1，返回true，否则执行上面逻辑
• 如果期望值与lockValue值不相等，不做任何更新，返回false

lock函数-自旋获取锁

• 执行tryLock函数，返回true进行，否则始终循环

从上图能够看出，只有tryLock胜利的线程（把lockValue更新为0），才会执行代码块，其余线程个tryLock自旋期待lockValue被更新成1，tryLock胜利的线程执行unLock（把lockValue更新为1），自旋的线程才会tryLock胜利。

ABA问题

C A S须要查看待更新的内存值有没有被批改，如果没有则更新，然而存在这样一种状况，如果一个值原来是A，变成了B，而后又变成了A，在C A S查看的时候会发现没有被批改。

假如有两个线程，线程1读取到内存值A，线程1工夫片用完，切换到线程2，线程2也读取到了内存值A，并把它批改为B值，而后再把B值还原到A值，简略说，批改秩序是A->B->A，接着线程1复原运行，它发现内存值还是A，而后执行C A S操作，这就是驰名的ABA问题，然而如同又看不出什么问题。

只是简略的数据结构，的确不会有什么问题，如果是简单的数据结构可能就会有问题了（应用AtomicReference能够把C A S应用在对象上），以链表数据结构为例，两个线程通过C A S去删除头节点，假如当初链表有A->B节点

• 线程1删除A节点，B节点成为头节点，正要执行C A S(A,A,B)时，工夫片用完，切换到线程2
• 线程2删除A、B节点
• 线程2退出C、A节点，链表节点变成A->C
• 线程1从新获取工夫片，执行C A S(A,A,B)
• 失落C节点

要解决A B A问题也非常简单，只有追加版本号即可，每次扭转时加1，即A —> B —> A，变成1A —> 2B —> 3A，在Java中提供了AtomicStampedRdference能够实现这个计划（面试只有问了C A S，就肯定会问ABA，这块肯定要搞明确）。

唠嗑唠嗑

C A S到这里就完结啦，当然了，后续会有Atomic系列的文章，有了C A S铺垫，前面的Atomic也是非常简略的，另外这里有个福利想告知下给各位读者，阿星公众号今天有个回馈读者，送酷炫显示器一台的抽奖流动，还没关注的敌人们，能够提前关注啦，欢送大家参加，万一中了呢~

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