CAS你必须知道的几点

概述

CAS（Compare-and-Swap），即比较并替换，是一种实现并发算法时常用到的技术，Java并发包中的很多类都使用了CAS技术。CAS也是现在面试经常问的问题，本文将深入的介绍CAS的原理。

案例

介绍CAS之前，我们先来看一个例子。

/**
 * @author dajun
 * @date 2019/7/6
 */
public class VolatileTest {
    
    public static volatile int race = 0;
 
    private static final int THREADS_COUNT = 20;
    
    public static void increase() {
        race++;
    }
 
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread[] threads = new Thread[THREADS_COUNT];
        for (int i = 0; i < THREADS_COUNT; i++) {
            threads[i] = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                        increase();
                    }
                }
            });
            threads[i].start();
        }
 
        while (Thread.activeCount() > 1) {
            Thread.yield();
        }
        System.out.println(race);
    }
}

这个例子有些网友反馈会进入死循环，我后面也发现了，在IDEA的RUN模式下确实会陷入死循环，通过 Thread.currentThread().getThreadGroup().list(); 代码可以打印出当前的线程情况如下：

    java.lang.ThreadGroup[name=main,maxpri=10]
        Thread[main,5,main]
        Thread[Monitor Ctrl-Break,5,main]

可以看到，除了Main方法线程后，还有一个Monitor Ctrl-Break线程，这个线程是IDEA用来监控Ctrl-Break中断信号的线程。

解决死循环的办法：如果是IDEA，可以使用DEBUG模式运行就可以，或者使用下面这段代码。

import java.util.concurrent.CountDownLatch;
 
/**
 * @author dajun
 * @date 2019/7/6
 */
public class VolatileTest {
    
    public static volatile int race = 0;
 
    private static final int THREADS_COUNT = 20;
 
    private static CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(THREADS_COUNT);
 
    public static void increase() {
        race++;
    }
 
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread[] threads = new Thread[THREADS_COUNT];
        for (int i = 0; i < THREADS_COUNT; i++) {
            threads[i] = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                        increase();
                    }
                    countDownLatch.countDown();
                }
            });
            threads[i].start();
        }
        countDownLatch.await();
        System.out.println(race);
    }
}

CAS是什么？

CAS是英文单词CompareAndSwap的缩写，中文意思是：比较并替换。CAS需要有3个操作数：内存地址V，旧的预期值A，即将要更新的目标值B。

CAS指令执行时，当且仅当内存地址V的值与预期值A相等时，将内存地址V的值修改为B，否则就什么都不做。整个比较并替换的操作是一个原子操作。

源码分析

上面源码分析时，提到最后调用了compareAndSwapInt方法，接着继续深入探讨该方法，该方法在Unsafe中对应的源码如下

CAS的缺点：

CAS虽然很高效的解决了原子操作问题，但是CAS仍然存在三大问题。

1. 循环时间长开销很大。
2. 只能保证一个变量的原子操作。
3. ABA问题。

循环时间长开销很大：

CAS 通常是配合无限循环一起使用的，我们可以看到 getAndAddInt 方法执行时，如果 CAS 失败，会一直进行尝试。如果 CAS 长时间一直不成功，可能会给 CPU 带来很大的开销。

只能保证一个变量的原子操作：

当对一个变量执行操作时，我们可以使用循环 CAS 的方式来保证原子操作，但是对多个变量操作时，CAS 目前无法直接保证操作的原子性。但是我们可以通过以下两种办法来解决：1）使用互斥锁来保证原子性；2）将多个变量封装成对象，通过 AtomicReference 来保证原子性。

什么是ABA问题？ABA问题怎么解决？

如果内存地址V初次读取的值是A，并且在准备赋值的时候检查到它的值仍然为A，那我们就能说它的值没有被其他线程改变过了吗？

如果在这段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。这个漏洞称为CAS操作的“ABA”问题。Java并发包为了解决这个问题，提供了一个带有标记的原子引用类“AtomicStampedReference”，它可以通过控制变量值的版本来保证CAS的正确性。因此，在使用CAS前要考虑清楚“ABA”问题是否会影响程序并发的正确性，如果需要解决ABA问题，改用传统的互斥同步可能会比原子类更高效。