併發程式設計 — CAS 原理詳解

在JDK1.5引入的 J.U.C包中的原子類以及Lock等都是基於 volatile 關鍵結合 CAS 操作實現的，為了能夠搞明白 原子類以及 Lock鎖的原理首先要了解 volatile 原理以及 CAS原理，上篇文章我們說了volatile關鍵字，這篇我們們就聊聊 什麼是 CAS 操作。

悲觀鎖與樂觀鎖

在說CAS操作之前我們們先說一下什麼是悲觀鎖和樂觀鎖。

悲觀鎖

悲觀鎖就是總是加鎖最壞的情況，所以每次去拿資料時都認為別人會修改，所以每次操作共享資料時都會上鎖，這樣當別人需要訪問共享資料時，就必須阻塞等待，直到它拿到鎖。傳統的關係型資料庫裡面就用到了很多這種鎖機制，比如行鎖、表鎖等，都是在操作之前先加上鎖。在Java中 synchronized 和 ReentrantLock 等都是獨佔的，也就是悲觀鎖。

悲觀鎖可以理解為就是 “總有刁民想害朕”。

樂觀鎖

樂觀鎖就是總是情況最好的，每次去拿共享資料的時候認為別人不會修改，所以不會上鎖，但是在更新資料的時候會判斷一下在此期間別人是否更改了資料。一般可以通過版本號和 CAS演算法實現。樂觀鎖適用於讀多寫少的場景，這樣可以提供吞吐量。

什麼是CAS

CAS 即 Compare And Swap （比較與交換），是一種有名的無鎖演算法。CAS演算法主要涉及到三個引數：

• 主記憶體中存放的的值V，也就是執行緒共享的值。
• 執行緒上次從記憶體中讀取的V值 A，執行緒私有的，存放線上程棧幀中，或者CPU快取中的值。
• 需要寫入主記憶體改些V的值B，執行緒對A計算後的值。

大致流程如下所示：

 

CAS帶來的三大問題

ABA問題

因為CAS需要在操作值的時候，檢查值有沒有發生變化，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，那麼CAS進行檢查的時候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。在變數前面加上版本號，每次變數更新的時候把版本號加1，那麼A->B->A就會變成1A->2B->3A。從Java 1.5開始，JDK的Atomic包裡提供了一個類AtomicStampedReference來解決ABA問題。這個類的compareAndSet方法的作用是首先檢查當前引用是否等於預期引用，並且檢查當前的標誌是否等於預期標誌，如果全部相等，則以原子方式將該應用和該標誌的值設定為給定的更新值。

開銷大的問題

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能支援處理器提供的pause指令，那麼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，延遲的時間取決於具體實現的版本，在一些處理器上延遲時間是零；

第二，它可以避免在迴圈的時候因記憶體順序衝突（Memory Order Violation）而引起CPU流水線被清空，從而提高CPU的實行效率。

只能保證一個共享變數的原子操作

當對一個共享變數執行操作時，我們可以使用迴圈CAS的方式來保證原子操作，但是對多個共享變數操作時，迴圈CAS就無法保證操作的原子性，這個時候可以用鎖。還有一個取巧的辦法，就是把多個共享變數合併成一個共享變數來操作。比如，有兩個共享變數i=2,j=a,合併一下ji=2a,然後用CAS來操作ij。從Java 1.5開始，JDK提供了AtomicReference類來保證引用物件之前的原子性，就可以把多個變數放在一個物件裡來進行CAS操作。

總結

本篇文章首先介紹了什麼是悲觀鎖和樂觀鎖，然後介紹了 CAS 原理，CAS 就是 比較並交換，也就是在寫入時先比較 主記憶體中值是否跟之前讀取的舊值相等，如果相等就更新，如果不相等就再次讀取計算，迴圈往復。CAS 在提高效能的同時，也帶來了三大問題。明白三大問題能夠更好的使用 CAS操作，以及後續的 原子操作類。