无锁的同步策略——CAS操作详解

1. 从乐观锁和悲观锁谈起

乐观锁和悲观锁是两种不同的解决并发问题的策略。悲观锁策略假定任何一次并发都会发生冲突,所以总是采用最严格的方式来进行并发控制。java中的独占锁(synchronized和重入锁)就是典型悲观锁实现,它只允许线程互斥的访问临界区,也就是阻塞式的同步方式。而乐观锁策略假定大部分情况下并发冲突不会发生,采用的是一种更为宽松的方式来进行并发控制。比如我们马上就要讲的CAS操作。它允许多线程非阻塞式地对共享资源进行修改,但同一时刻只有一个线程能够成功,其他线程被告知失败但并不会挂起,而是重新尝试。这是一种非阻塞式的同步方式。

2. CAS详解

Java中的CAS操作依赖于底层CPU的CAS指令。

2.1 CAS指令

CAS,即Compare-and-Swap(比较和交换),从语义上它需要两次操作,但只需要一条cpu指令就能完成,因而该操作具有原子性,像原子一样不可分割，要么成功，要么失败。
CAS指令需要3个操作数,分别是V:变量的内存地址，A(预期值),B(更新值)。CAS指令执行时,只有当预期值A和V的值一样时才进行更新,否则更新失败。

2.3 Java中的CAS指令

java中给我们提供了本地方法来获得和CAS指令一样的执行效果。比如Unsafe类中

public final native boolean compareAndSwapObject(Object var1, long var2, Object var4, Object var5);

public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);

public final native boolean compareAndSwapLong(Object var1, long var2, long var4, long var6);

因为这些方法会被编译成平台相关的CAS指令，故而这些CAS操作都具有原子性。遗憾的是,这些CAS操作我们无法直接使用,因为只有Bootstrap ClassLoader加载的Class才能访问它。然而在JDK并发包的底层实现中，还是可以处处看到它的身影。如下图所示

2.4 CAS结合失败重试机制进行并发控制

CAS指令只是提供了一个更新变量的原子操作,要使用它进行并发控制,还需要结合失败重试机制。以AtomicInteger为例,对它进行累加操作是线程安全的,而普通的整型变量在多线程环境下执行类似i++的操作线程不安全。为什么？因为i++并非是一个原子操作,而AtomicInteger类的getAndIncrement底层的CAS操作是原子性的,故而能保证线程安全。下面是它的源码(基于JDK8)

/**
 * Atomically increments by one the current value.
 *
 * @return the updated value
 */
public final int incrementAndGet() {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
}

进入方法Unsafe类的getAndAddInt方法,

public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
    int var5;
    do {
        var5 = this.getIntVolatile(var1, var2); //获得变量当前的值
    } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4)); //CAS失败则重新尝试直到成功为止

    return var5;
}

以下代码与本文无关，请自行跳过

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可以看到步骤可以概括为

1.获得变量当前的值var5
2.使用CAS操作进行更新:若var5与当前的值不一样,说明1,2操作间有其他线程作了修改,此次更新失败,重新实行步骤1;否则用 var5+var4的值进行更新,并返回更新前的值。

多个线程同时使用CAS指令去更新变量,失败的线程将会不断重新尝试，直到更新成功。

3. CAS操作的优势和劣势

3.1 CAS相比独占锁的优势

没有线程阻塞唤醒带来的性能消耗问题。

3.2 CAS的缺点

ABA问题。在CAS操作时，我们以变量的当前值和预期值一致来判定变量未被其他线程修改，这样是不用严谨的，因为变量可能被修改成其他值后又被改了回来，大部分时候这是个可以忽略的小问题，如果要规避这个问题,可以使用AtomicStampedReference,它会额外使用一个时间戳来判断变量是否被修改过。
无法直接使用CAS来进行并发控制，相比同步锁的方式适用范围较窄。

4. 总结

CAS是CPU的一条指令,用来对变量进行原子更新。java中使用CAS技术结合失败重试机制，可以非阻塞的实现多线程对共享资源的并发修改，很多时候具有比独占锁更好的性能。