三分鐘帶你秒懂CAS實現機制
一、摘要
在 Java 的java.util.concurrent包中，除了提供底層鎖、并發同步等工具類以外，還提供了一組原子操作類，大多以Atomic開頭，他們位于java.util.concurrent.atomic包下。
所謂原子類操作，顧名思義，就是這個操作要么全部執行成功，要么全部執行失敗，是保證并發編程安全的重要一環。
以AtomicInteger原子類為例，應用示例如下！
public class Demo {
/**
* 初始化一個原子操作類
*/
private static AtomicInteger a = new AtomicInteger();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
final int threads = 10;
CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threads);
for (int i = 0; i < threads; i++) {
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
for (int j = 0; j < 1000; j++) {
// 采用原子性操作累加
a.incrementAndGet();
}
countDownLatch.countDown();
}
}).start();
}
// 阻塞等待10個線程執行完畢
countDownLatch.await();
// 輸出結果值
System.out.println("結果值：" + a.get());
}
}輸出結果：
結果值：10000相比通過synchronized和lock等方式實現的線程安全同步操作，原子類的實現機制則完全不同。它采用的是通過無鎖（lock-free）的方式來實現線程安全（thread-safe）訪問，底層原理主要基于CAS操作來實現。
某些業務場景下，通過原子類來操作，既可以實現線程安全的要求，又可以實現高效的并發性能，同時編程方面更加簡單。
二、什么是 CAS 操作呢？
CAS，全稱是：Compare and Swap，翻譯過來就是：比較并替換。它是實現并發算法時常用的一種技術，它包含三個操作數：內存位置、預期原值及新值。在執行CAS操作的時候，會將內存位置的值與預期原值比較，如果一致，會將該位置的值更新為新值；否則，不做任何操作。
我們還是以AtomicInteger原子類為例，部分源碼內容如下：
public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
private static final long serialVersionUID = 6214790243416807050L;
// 使用 Unsafe.compareAndSwapInt 方法進行 CAS 操作
private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
private static final long valueOffset;
static {
try {
valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
(AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
} catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}
// 變量使用 volatile 保證可見性
private volatile int value;
/**
* get 方法
*/
public final int get() {
return value;
}
/**
* 原子性自增操作
*/
public final int incrementAndGet() {
return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
}
}從源碼上可以清晰的看出，變量value使用了volatile關鍵字，保證數據可見性和程序的有序性；原子性自增操作incrementAndGet()方法，路由到Unsafe.getAndAddInt()方法上。
我們繼續往下看Unsafe.getAndAddInt()這個方法，部分源碼內容如下：
public final class Unsafe {
public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
int var5;
// 1.循環比較并替換，只有成功才返回
do {
// 2.調用底層方法得到 value 值
var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
// 3.通過var1和var2得到底層值，var5為當前值，如果底層值與當前值相同，則將值設為var5+var4
} while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));
// 4.如果替換成功，返回當前值
return var5;
}
/**
* CAS 核心方法，由其他語言實現，不再分析
*/
public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);
}從以上的源碼可以清晰的看到，incrementAndGet()方法主要基于Unsafe.compareAndSwapInt方法來實現，同時進行了循環比較與替換的操作，只有替換成功才會返回，這個過程也被稱為自旋操作，確保程序執行成功，進一步保證了操作的原子性。
其它的方法實現思路也類似。
如果我們自己通過CAS編寫incrementAndGet()，大概長這樣：
public int incrementAndGet(AtomicInteger var) {
int prev, next;
do {
prev = var.get();
next = prev + 1;
} while ( !var.compareAndSet(prev, next));
return next;
}當并發數量比較低的時候，采用CAS這種方式可以實現更快的執行效率；當并發數量比較高的時候，因為存在循環比較與替換的邏輯，如果長時間循環，可能會更加消耗 CPU 資源，此時采用synchronized或Lock來實現線程同步，可能會更有優勢。
三、ABA問題
從上文的分析中，我們知道 CAS 在操作的時候會檢查預期原值是否發生變化，當預期原值沒有發生變化才會更新值。
在實際業務中，可能會出現這么一個現象：線程 t1 正嘗試將共享變量的值 A 進行修改，但還沒修改；此時另一個線程 t2 獲取到 CPU 時間片，將共享變量的值 A 修改成 B，然后又修改為 A，此時線程 t1 檢查發現共享變量的值沒有發生變化，就會主動去更新值，導致出現了錯誤更新，但是實際上原始值在這個過程中發生了好幾次變化。這個現象我們稱它為 ABA 問題。
ABA 問題的解決思路就是使用版本號，在變量前面追加上版本號，每次變量更新的時候把版本號加 1，原來的A-B-A就會變成1A-2B-3A。
在java.util.concurrent.atomic包下提供了AtomicStampedReference類，它支持指定版本號來更新，可以通過它來解決 ABA 問題。
在AtomicStampedReference類的compareAndSet()方法中，會檢查當前引用是否等于預期引用，并且當前版本號是否等于預期版本號，如果全部相等，則以原子方式將該引用的值設置為給定的更新值，同時更新版本號。
具體示例如下：
// 初始化一個帶版本號的原子操作類，原始值：a，原始版本號：1
AtomicStampedReference<String> reference = new AtomicStampedReference<>("a", 1);
// 將a更為b，同時將版本號加1，第一個參數：預期原值；第二個參數：更新后的新值；第三個參數：預期原版本號；第四個參數：更新后的版本號
boolean result1 = reference.compareAndSet("a", "b", reference.getStamp(), reference.getStamp() + 1);
System.out.println("第一次更新：" + result1);
// 將b更為a，因為預期原版本號不對，所以更新失敗
boolean result2 = reference.compareAndSet("b", "a", 1, reference.getStamp());
System.out.println("第二次更新：" + result2);輸出結果：
第一次更新：true
第二次更新：false四、小結
本文主要以AtomicInteger的用法和原理為例，對 CAS 實現原理進行介紹，JUC包下的原子操作類非常的多，但是大體用法和原理基本相似，只是針對不同的數據類型做了細分處理。
希望本篇的知識總結，能幫助到大家！
五、參考
1.https://www.liaoxuefeng.com/wiki/1252599548343744/1306581083881506
2.https://blog.csdn.net/zzti_erlie/article/details/123001758
3.https://juejin.cn/post/7057032581165875231
