为什么CAS加锁是线程安全的？--理解原子操作

引入

• 在Java中实现并发用的最多的就是synchronized关键字了，自从jdk1.6对synchronized进行重大优化后，其广为人诟病的性能问题也得到了改善，与ReentrankLock相比性能方面相差无几

• 性能的改善得益于偏向锁、轻量级锁的引入，它们具体的实现方式可参考《Java并发编程的艺术》和《深入理解Java虚拟机》这两本书。偏向锁、轻量级锁和重量级锁不同的地方在于不是通过信号量机制（强制阻塞）而是通过自旋CAS实现互斥访问的，避免了强制阻塞时用户态与核心态之间切换带来的开销（系统调用），这里的开销主要是保存用户态的上下文信息。

自旋CAS

• CAS操作是一个原子操作，所谓原子操作就是指在执行期间不会被其他线程打断，要么执行完毕，要么不执行

• CAS操作有三个操作数V（内存地址），A（旧的预期值），B（准备设置的新值）。指令执行时先看V指向的内存中存储的值是否和A相同，如果相同才会更新为B，否则什么也不做。

• 自旋是指当对象或同步块已经被其他线程锁定时，竞争线程空转等待占用线程执行完毕的情形。注意此时竞争线程并没有阻塞，而是原地空转，执行一个无限循环判断对象是否已解锁，所以不存在用户态到核心态的转换，因而同步效率较高（但会占用CPU时间）。

从问题出发理解原子性

• 我一直有个疑惑，CAS的原子性和使用CAS加锁保证线程安全有什么关系？假设有多个线程同时在对同一块内存进行CAS操作的话，那不就有可能出问题吗：两个线程T1，T2同时对同一对象执行CAS操作加锁，V存储同一块内存地址，A当然也是同样旧的预期值，那么这种情况下T1和T2都可以进行更新，那么CAS操作加锁过程就是无效的，因为CAS操作成功后线程就会进入同步块，此时就会有多个线程同时执行同步块中的代码······那这不就会使同步块线程不安全了吗。

• 后来我明白了CAS原子性和线程安全的关系，在多个线程同时CAS的情况下是不会发生多个线程CAS成功的情况的，因为计算机底层实现保证了V指向内存的互斥性和立即可见性，可以理解为CAS操作是底层保证的线程安全

• 首先说结论，一个线程T在CAS操作时，其他线程无法访问V指向的内存地址，并且一旦T更新了V指向内存中的值，其他所有线程的V指向内存都变得无效。

• 处理器实现原子操作有两种做法

  • 一是总线锁，在多CPU 下，当其中一个处理器要对共享内存进行操作的时候，在总线上发出一个 LOCK# 信号，这个信号使得其他处理器无法通过总线来访问到共享内存中的数据

  • 二是缓存锁，如果共享内存已经被缓存，那么锁总线没有意义。缓存锁核心是使用了缓存一致性协议，如MESI协议

    • MSEI表示缓存行的四种状态

      • M(Modify) 表示共享数据只缓存在当前 CPU 缓存中， 并且是被修改状态，也就是缓存的数据和主内存中的数据不一致

      • E(Exclusive) 表示缓存的独占状态，数据只缓存在当前 CPU 缓存中，并且没有被修改

      • S(Shared) 表示数据可能被多个 CPU 缓存，并且各个缓存中的数据和主内存数据一致

      • I(Invalid) 表示缓存已经失效

    • 在 MESI 协议中，每个缓存的缓存控制器不仅知道自己的 读写操作，而且也监听(snoop)其它 Cache 的读写操作

    • CPU在读数据时，如果缓存行状态是I，则需要从内存中读取，并把缓存行状态置为S；如果不是I，则可以直接读取缓存中的值，但在此之前必须要等待对其他CPU的监听结果，如果其他CPU也有该数据的缓存且状态是M，则需要等待其把缓存更新到内存后再读取

    • CPU可以将状态为M/E/S的缓存写入内存，其中如果缓存行状态为S，则其他CPU缓存了相同数据的缓存行会无效化

• 也就是说不会有多个线程同时访问共享变量，而且共享变量更新是对所有线程可见的，所以原子操作是线程安全的。