CAS是什么？

一、什么是CAS

CAS指CompareAndSwap，CAS是支持并發的第一個處理器提供原子的測試并設置操作，通常在單位上運行這項操作。

CAS 操作包含三個操作數 -- 內存位置(V)、預期原值(A)和新值(B)。如果內存位置的值與預期原值相匹配，那么處理器會自動將該位置值更新為新值。否則，處理器不做任何操作。無論哪種情況，它都會在 CAS 指令之前返回該位置的值。(在 CAS 的一些特殊情況下將僅返回 CAS 是否成功，而不提取當前值。)CAS 有效地說明了"我認為位置 V 應該包含值 A;如果包含該值，則將 B 放到這個位置;否則，不要更改該位置，只告訴我這個位置現在的值即可。"

二、atomic包

使用java.util.atomic包在java中CAS的實現。

這就是java.util.atomic包下的類，我們著重看AtomicInteger源碼（其他的都是一樣的思想實現的）

CAS有什么缺點？

CAS缺點

CAS雖然很高效的解決原子操作，但是CAS仍然存在三大問題。ABA問題，循環時間長開銷大和只能保證一個共享變量的原子操作

1.  ABA問題。因為CAS需要在操作值的時候檢查下值有沒有發生變化，如果沒有發生變化則更新，但是如果一個值原來是A，變成了B，又變成了A，那么使用CAS進行檢查時會發現它的值沒有發生變化，但是實際上卻變化了。ABA問題的解決思路就是使用版本號。在變量前面追加上版本號，每次變量更新的時候把版本號加一，那么A－B－A 就會變成1A-2B－3A。

從Java1.5開始JDK的atomic包里提供了一個類AtomicStampedReference來解決ABA問題。這個類的compareAndSet方法作用是首先檢查當前引用是否等于預期引用，并且當前標志是否等于預期標志，如果全部相等，則以原子方式將該引用和該標志的值設置為給定的更新值。

2. 循環時間長開銷大。自旋CAS如果長時間不成功，會給CPU帶來非常大的執行開銷。如果JVM能支持處理器提供的pause指令那么效率會有一定的提升，pause指令有兩個作用，第一它可以延遲流水線執行指令（de-pipeline）,使CPU不會消耗過多的執行資源，延遲的時間取決于具體實現的版本，在一些處理器上延遲時間是零。第二它可以避免在退出循環的時候因內存順序沖突（memory order violation）而引起CPU流水線被清空（CPU pipeline flush），從而提高CPU的執行效率。

3. 只能保證一個共享變量的原子操作。當對一個共享變量執行操作時，我們可以使用循環CAS的方式來保證原子操作，但是對多個共享變量操作時，循環CAS就無法保證操作的原子性，這個時候就可以用鎖，或者有一個取巧的辦法，就是把多個共享變量合并成一個共享變量來操作。比如有兩個共享變量i＝2,j=a，合并一下ij=2a，然后用CAS來操作ij。

2.1、走進AtomicInteger源碼

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 6214790243416807050L;

    // 使用Unsafe.compareAndSwapInt進行原子更新操作
    private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
    //value對應的存儲地址偏移量
    private static final long valueOffset;

    static {
        try {
            //使用反射及unsafe.objectFieldOffset拿到value字段的內存地址偏移量，這個值是固定不變的
            valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
                (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
        } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
    }

    //volatile修飾的共享變量
    private volatile int value;
    //..........
    }

上面的代碼其實就是為了初始化內存值對應的內存地址偏移量valueOffset，方便后續執行CAS操作時使用。因為這個值一旦初始化，就不會更改，所以使用static final 修飾。

我們可以看到value使用了volatile修飾，其中也說了volatile的語義。

我們都知道如果進行value++操作，并發下是不安全的。上一篇中我們也通過例子證明了volatile只能保證可見性，不能保證原子性。因為value++本身不是原子操作，value++分了三步，先拿到value的值，進行+1，再賦值回value。

2.2、compareAndSwapXxx

我們先看一看AtomicInteger提供的CAS操作。

    /**
     * 原子地將value設置為update，如果valueOffset對應的值與expect相等時
     *
     * @param expect 期待值
     * @param update 更新值
     * @return 如果更新成功，返回true;在valueOffset對應的值與expect不相等時返回false
     */
    public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
    }

我們已經知道CAS的原理，那來看看下面的測試。你知道輸出的結果是多少嗎？評論區給出你的答案吧。

public class AtomicIntegerTest {
    public static void main(String[] args) {
        AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();
        atomicInteger.compareAndSet(0, 1);
        atomicInteger.compareAndSet(2, 1);
        atomicInteger.compareAndSet(1, 3);
        atomicInteger.compareAndSet(2, 4);
        System.out.println(atomicInteger.get());
    }
}

Unsafe提供了三個原子更新的方法。

關于Unsafe類，因為java不支持直接操作底層硬件資源，如分配內存等。如果你使用unsafe開辟的內存，是不被JVM垃圾回收管理，需要自己管理，容易造成內存泄漏等。

2.3、AtomicInteger的原子自增方法

我們上面說了，value++不是原子操作，不能在并發下使用。我們來看看AtomicInteger提供的原子++操作。

    /**
     * 原子地對value進行+1操作
     *
     * @return 返回更新后的值
     */
    public final int incrementAndGet() {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
    }

    /**
     * unsafe提供的方法
     * var1 更改的目標對象
     * var2 目標對象的共享字段對應的內存地址偏移量valueOffset
     * var4 需要在原value上增加的值
     * @return 返回未更新前的值
     */
     public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
        //期待值
        int var5;
        do {
            //獲取valueOffset對應的value的值，支持volatile load
            var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
            //如果原子更新失敗，則一直重試，直到成功。
        } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));

        return var5;
    }

我們看到CAS只能原子的更新一個值，如果我們要原子更新多個值，CAS可以做到嗎？答案是可以的。

2.4、AtomicReference

如果要原子地更新多個值，就需要使用AtomicReference。其使用的是compareAndSwapObject方法。可以將多個值封裝到一個對象中，原子地更換對象來實現原子更新多個值。

public class MultiValue {
    private int value1;
    private long value2;
    private Integer value3;

    public MultiValue(int value1, long value2, Integer value3) {
        this.value1 = value1;
        this.value2 = value2;
        this.value3 = value3;
    }
 }

public class AtomicReferenceTest {
    public static void main(String[] args) {
        MultiValue multiValue1 = new MultiValue(1, 1, 1);
        MultiValue multiValue2 = new MultiValue(2, 2, 2);
        MultiValue multiValue3 = new MultiValue(3, 3, 3);
        AtomicReference<MultiValue> atomicReference = new AtomicReference<>();
        //因為構造AtomicReference時，沒有使用有參構造函數，所以value默認值是null
        atomicReference.compareAndSet(null, multiValue1);
        System.out.println(atomicReference.get());
        atomicReference.compareAndSet(multiValue1, multiValue2);
        System.out.println(atomicReference.get());
        atomicReference.compareAndSet(multiValue2, multiValue3);
        System.out.println(atomicReference.get());
    }
}
//輸出結果
//MultiValue{value1=1, value2=1, value3=1}
//MultiValue{value1=2, value2=2, value3=2}
//MultiValue{value1=3, value2=3, value3=3}

我們再看一看AtomicReference的compareAndSet方法。

注意：這里的比較都是使用==而非equals方法。所以最好封裝的MultiValue不要提供set方法。

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

2.5、CAS的ABA問題

假設你的賬戶上有100塊錢，你要給女票轉50塊錢。

我們使用CAS進行原子更新賬戶余額。由于某種原因，你第一次點擊轉賬出現錯誤，你以為沒有發起轉賬請求，這時候你又點擊了一次。系統開啟了兩個線程進行轉賬操作，第一個線程進行CAS比較，發現你的賬戶上預期是100塊錢，實際也有100塊錢，這時候轉走了50，需要設置為100 - 50 = 50 元，這時賬戶余額為50

第一個線程操作成功了，第二個線程由于某種原因阻塞住了；這時候，你的家人又給你轉了50塊錢，并且轉賬成功。那你賬戶上現在又是100塊錢；

太巧了，第二個線程被喚醒了，發現你的賬戶是100塊錢，跟預期的100是相等的，這時候又CAS為50。大兄弟，哭慘了，你算算，正確的場景你要有多少錢？這就是CAS存在的ABA問題。

public class AtomicIntegerABA {

    private static AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(100);

    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(3);

        //線程1
        executorService.execute(() -> {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " - " + atomicInteger.get());
            atomicInteger.compareAndSet(100, 50);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " - " + atomicInteger.get());
        });

        //線程2
        executorService.execute(() -> {
            try {
                TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(300);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " - " + atomicInteger.get());
            atomicInteger.compareAndSet(50, 100);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " - " + atomicInteger.get());
        });

        //線程3
        executorService.execute(() -> {
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " - " + atomicInteger.get());
            atomicInteger.compareAndSet(100, 50);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " - " + atomicInteger.get());
        });

        executorService.shutdown();
    }
}
//輸出結果
//pool-1-thread-1 - 100
//pool-1-thread-1 - 50
//pool-1-thread-2 - 50
//pool-1-thread-2 - 100
//pool-1-thread-3 - 100
//pool-1-thread-3 - 50

大家心想，靠，這不是坑嗎？那還用。。。。。。。。。。。。。。冷靜，冷靜。你能想到的問題，jdk都能想到。atomic包提供了一個AtomicStampedReference

2.6、AtomicStampedReference

看名字是不是跟AtomicReference很像啊，其實就是在AtomicReference上加上了一個版本號，每次操作都對版本號進行自增，那每次CAS不僅要比較value，還要比較stamp，當且僅當兩者都相等，才能夠進行更新。

public AtomicStampedReference(V initialRef, int initialStamp) {
        pair = Pair.of(initialRef, initialStamp);
    }
//定義了內部靜態內部類Pair，將構造函數初始化的值與版本號構造一個Pair對象。
private static class Pair<T> {
        final T reference;
        final int stamp;
        private Pair(T reference, int stamp) {
            this.reference = reference;
            this.stamp = stamp;
        }
        static <T> Pair<T> of(T reference, int stamp) {
            return new Pair<T>(reference, stamp);
        }
    }

//所以我們之前的value就對應為現在的pair
    private volatile Pair<V> pair;

讓我們來看一看它的CAS方法。

 public boolean compareAndSet(V   expectedReference,
                                 V   newReference,
                                 int expectedStamp,
                                 int newStamp) {
        Pair<V> current = pair;
        return
            //只有在舊值與舊版本號都相同的時候才會更新為新值，新版本號
            expectedReference == current.reference &&
            expectedStamp == current.stamp &&
            ((newReference == current.reference &&
              newStamp == current.stamp) ||
             casPair(current, Pair.of(newReference, newStamp)));
    }
private boolean casPair(Pair<V> cmp, Pair<V> val) {
        return UNSAFE.compareAndSwapObject(this, pairOffset, cmp, val);
    }

還是上面轉賬的例子，我們使用AtomicStampedReference來看看是否解決了呢。

public class AtomicStampedReferenceABA {
    /**
     * 初始化賬戶中有100塊錢，版本號對應0
     */
    private static AtomicStampedReference<Integer> atomicInteger = new AtomicStampedReference<>(100, 0);

    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(3);
        int[] result = new int[1];
        //線程1
        executorService.execute(() -> {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " - " + atomicInteger.get(result));
            //將100更新為50，版本號+1
            atomicInteger.compareAndSet(100, 50, 0, 1);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " - " + atomicInteger.get(result));
        });

        //線程2
        executorService.execute(() -> {
            try {
                TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(300);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " - " + atomicInteger.get(result));
            //將50更新為100，版本號+1
            atomicInteger.compareAndSet(50, 100, 1, 2);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " - " + atomicInteger.get(result));
        });

        //線程3
        executorService.execute(() -> {
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " - " + atomicInteger.get(result));
            //此線程還是以為沒有其他線程進行過更改，所以舊版本號還是0
            atomicInteger.compareAndSet(100, 50, 0, 1);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " - " + atomicInteger.get(result));
        });

        executorService.shutdown();
    }
}
//輸出結果
//pool-1-thread-1 - 100
//pool-1-thread-1 - 50
//pool-1-thread-2 - 50
//pool-1-thread-2 - 100
//pool-1-thread-3 - 100
//pool-1-thread-3 - 100