并发系列之CAS原理

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并发系列之CAS原理

CAS

CAS的全称是Compare And Swap 即比较交换，其算法核心思想如下
$$
执行函数：CAS(V,E,N)

.V表示要更新的变量
.E表示预期值
.N表示新值
$$
CAS

看一个CAS的例子

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package com.wyj.jvm.cas;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicBoolean;

/**
 * Cteated by wyj on 2017/9/9
 */
public class AtomicBooleanTest implements Runnable{

    private static AtomicBoolean flag = new AtomicBoolean(true);

    public static void main(String[] args) {
        AtomicBooleanTest ast = new AtomicBooleanTest();
        Thread thread1 = new Thread(ast);
        Thread thread = new Thread(ast);
        thread1.start();
        thread.start();
    }

    @Override
    public void run() {
        System.out.println("thread:" + Thread.currentThread().getName()+";flag:"+flag.get());
        if (flag.compareAndSet(true, false)) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+""+flag.get());
            try {
                Thread.sleep(5000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            flag.set(true);
        } else {
            System.out.println("重试机制Thread："+Thread.currentThread().getName()+";flag"+flag.get());
            try {
                Thread.sleep(500);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            run();
        }
    }
}

控制台输出

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thread:Thread-1;flag:true
thread:Thread-0;flag:true
Thread-1false
重试机制Thread：Thread-0;flagfalse
thread:Thread-0;flag:false
重试机制Thread：Thread-0;flagfalse
thread:Thread-0;flag:false
重试机制Thread：Thread-0;flagfalse
thread:Thread-0;flag:false
重试机制Thread：Thread-0;flagfalse
thread:Thread-0;flag:false
重试机制Thread：Thread-0;flagfalse
thread:Thread-0;flag:false
重试机制Thread：Thread-0;flagfalse
thread:Thread-0;flag:false
重试机制Thread：Thread-0;flagfalse
thread:Thread-0;flag:false
重试机制Thread：Thread-0;flagfalse
thread:Thread-0;flag:false
重试机制Thread：Thread-0;flagfalse
thread:Thread-0;flag:false
重试机制Thread：Thread-0;flagfalse
thread:Thread-0;flag:true
Thread-0false

从控制台的输出，可以看到，无论怎么运行，都不会产生线程脏读脏写。

CAS实现原子操作的三大问题

——摘自《java并发编程的艺术》第二章

在java并发包中有一些并发框架也使用了自旋CAS的方式实现原子操作，比如LinkedTransferQueue类的Xfer方法。CAS虽然很高效地解决了原子操作，但是CAS仍然存在三大问题。ABA问题，循环时间长开销大，以及只能保证一个共享变量的原子操作。

1）ABA问题。因为CAS需要在操作值的时候，检查值有没有发生变化，如果没有发生变化则更新，但是如果一个值原来是A，变成了B，又变成了A，那么使用CAS进行检查时会发现它的值没有发生变化，但是实际上却变化了。ABA问题的解决思路就是使用版本号。在变量前面追加上版本号，每次变量更新的时候把版本号加一，那么A—>B—>A就会变成1A—>2B—>3A。从Java1.5开始JDK的atomic包里提供了一个类AtomicStampedReference来解决ABA问题。这个类的compareAndSet方法作用是首先检查当前引用是否等于预期引用，并且当前标志是否等于预期标志，如果全部相等，则以原子方式将该引用和该标志的值设置为给定的更新值。

2）循环时间长开销大。自旋CAS如果长时间不成功，会给CPU带来非常大的执行开销。如果JVM能支持处理器提供的pause指令那么效率会有一定的提升，pause指令有两个作用，第一它可以延迟流水线执行指令（de-pipeline）,使CPU不会消耗过多的执行资源，延迟的时间取决于具体实现的版本，在一些处理器上延迟时间是零。第二它可以避免在退出循环的时候因内存顺序冲突（memory order violation）而引起CPU流水线被清空（CPU pipeline flush），从而提高CPU的执行效率。

3）只能保证一个共享变量的原子操作。当对一个共享变量执行操作时，我们可以使用循环CAS的方式来保证原子操作，但是对多个共享变量操作时，循环CAS就无法保证操作的原子性，这个时候就可以用锁，或者有一个取巧的办法，就是把多个共享变量合并成一个共享变量来操作。比如有两个共享变量i＝2,j=a，合并一下ij=2a，然后用CAS来操作ij。从Java1.5开始JDK提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性，你可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作。