Java的CAS操作

介绍 CAS

技术是为了解决问题而生的，通过 CAS 我们可以以无锁的方式，保证对共享数据进行 “读取 - 修改 - 写回” 操作序列的正确性。

CAS 是乐观锁设计思想的实现。CAS 的思想是：在“读取 - 修改 - 写回”操作序列中，先读取并修改数据，写回数据前先判断读取数据后的这段时间内数据是否发生变化（共享变量的当前值是否是我们的期望值）：

• 如果在此期间数据没有发生变化（共享资源的当前值是我们的期望值），那么就把修改后的值写回
• 如果在此期间其他的线程修改了数据，数据发生了变化（共享资源的当前值不是我们的期望值），那么就放弃本次写回操作，再基于最新的数据进行修改然后重试，避免发生数据更新丢失

CAS 更加底层的实现依赖于 CPU 提供的特定指令，具体根据体系结构的不同还存在着明显区别。比如，x86 CPU 提供 cmpxchg 指令；而在精简指令集的体系架构中，则通常是靠一对指令（如“load and reserve”和“store conditional”）实现的。在大多数处理器上 CAS 都是非常轻量级的操作，这也是其优势所在。

Java 的 CAS 操作

CAS 依赖于 Unsafe 类提供的一些底层能力，进行底层操作。

/**
 * Atomically update Java variable to x if it is currently
 * holding expected.
 * @return true if successful
 */
public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset,
                                              int expected,
                                              int x);

在调用 compareAndSwap() 方法时，我们需要传入需要修改的共享变量、对象偏移量、我们期望的变量当前值、要写回的值。如果变量的当前值和我们的期望值相等，则写回成功，返回 true，否则写回失败，返回 false。

Unsafe 类是 Java 提供的一个操作内存的非安全类，操作对象和对应的变量来完成 CAS 操作。显然 Unsafe 类过于底层，调用 Unsafe 类的方法不是大多数应用场景的最好选择。目前 Java 提供了两种公共 API，可以实现 CAS 操作：

• 一种是 Atomic 原子类。Atomic 包中的类对 Unsafe 类进行了封装，使我们可以更方便的使用 CAS 操作。Atomic 包提供了常见的原子性数据类型，甚至是引用、数组等相关原子类型和原子更新操作工具。
• 还有一种是 Variable Handle API，它源自于JEP 193，提供了各种粒度的原子或者有序性的操作等。

CAS 的优劣局限

CAS 的优点：在大多数处理器上 CAS 都是非常轻量级的操作。

CAS 的局限：

• CAS 操作是针对一个共享变量的，如果需要解决多个变量的原子性问题，建议还是使用互斥锁方案。
• 存在 ABA 问题：当一个线程在进行 CAS 操作时，另一个线程可能会在此期间修改了同一个共享变量的值，然后又将其改回原来的值。这种情况下，CAS 操作就无法检测到共享变量值的变化，从而导致 ABA 问题。如果我们仅仅在写回数据前判断数值是 A，可能导致不合理的写回操作。针对这种情况，Java 提供了 AtomicStampedReference 工具类，通过为对象引用建立类似版本号（stamp）的方式，来解决 ABA 问题，保证 CAS 的正确性。
• 如果有大量的线程同时对一个共享变量进行 CAS 操作，竞争过于激烈的情况下，尝试进行 CAS 操作的线程只会白白消耗处理器资源，而不会做任何有价值的工作，这就会带来性能的浪费。

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