一、什么是 CAS
CAS: 全称Compare and swap，字⾯意思:”⽐较并交换“，⼀个 CAS 涉及到以下操作：
我们假设内存中的原数据V，旧的预期值A，需要修改的新值B。
- 比较 A 与 V 是否相等。（⽐较）
- 如果⽐较相等，将 B 写⼊ V。（交换）
- 返回操作是否成功。
CAS 伪代码
下⾯写的代码不是原⼦的, 真实的 CAS 是⼀个原⼦的硬件指令完成的. 这个伪代码只是辅助理解 CAS的⼯作流程.
boolean CAS(address, expectValue, swapValue) {
if (&address == expectedValue) {
&address = swapValue;
return true;
}
return false;
}两种典型的不是 "原⼦性" 的代码
- check and set (if 判定然后设定值) [上⾯的 CAS 伪代码就是这种形式]
- read and update (i++) [之前我们讲线程安全的代码例⼦是这种形式]
当多个线程同时对某个资源进⾏CAS操作，只能有⼀个线程操作成功，但是并不会阻塞其他线程,其他线程只会收到操作失败的信号。
CAS 可以视为是⼀种乐观锁. (或者可以理解成 CAS 是乐观锁的⼀种实现⽅式)
二、CAS 是怎么实现的
针对不同的操作系统，JVM ⽤到了不同的 CAS 实现原理，简单来讲：
- java 的 CAS 利⽤的的是 unsafe 这个类提供的 CAS 操作；
- unsafe 的 CAS 依赖了的是 jvm 针对不同的操作系统实现的 Atomic::cmpxchg；
- Atomic::cmpxchg 的实现使⽤了汇编的 CAS 操作，并使⽤ cpu 硬件提供的 lock 机制保证其原⼦性。
简⽽⾔之，是因为硬件予以了⽀持，软件层⾯才能做到
三、 CAS 有哪些应用
1) 实现原⼦类
标准库中提供了
java.util.concurrent.atomic
包, ⾥⾯的类都是基于这种⽅式来实现的.
典型的就是 AtomicInteger 类. 其中的 getAndIncrement 相当于 i++ 操作.
AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);
// 相当于 i++
atomicInteger.getAndIncrement();
假设两个线程同时调⽤ getAndIncrement
1、
两个线程都读取 value 的值到 oldValue 中. (oldValue 是⼀个局部变量, 在栈上. 每个线程有⾃⼰的栈)
2、线程1 先执⾏ CAS 操作. 由于 oldValue 和 value 的值相同, 直接进⾏对 value 赋值.
注意:
- CAS 是直接读写内存的, ⽽不是操作寄存器.
- CAS 的读内存, ⽐较, 写内存操作是⼀条硬件指令, 是原⼦的.
3、线程2 再执⾏ CAS 操作, 第⼀次 CAS 的时候发现 oldValue 和 value 不相等, 不能进⾏赋值. 因此需要进⼊循环.
在循环⾥重新读取 value 的值赋给 oldValue
4、线程2 接下来第⼆次执⾏ CAS, 此时 oldValue 和 value 相同, 于是直接执⾏赋值操作.
5、线程1 和 线程2 返回各⾃的 oldValue 的值即可.
通过形如上述代码就可以实现⼀个原⼦类. 不需要使⽤重量级锁, 就可以⾼效的完成多线程的⾃增操作.
本来 check and set 这样的操作在代码⻆度不是原⼦的. 但是在硬件层⾯上可以让⼀条指令完成这个操作, 也就变成原⼦的了.
2) 实现自旋锁
基于 CAS 实现更灵活的锁, 获取到更多的控制权
⾃旋锁伪代码
public class SpinLock {
private Thread owner = null;
public void lock(){
// 通过 CAS 看当前锁是否被某个线程持有.
// 如果这个锁已经被别的线程持有, 那么就⾃旋等待.
// 如果这个锁没有被别的线程持有, 那么就把 owner 设为当前尝试加锁的线程.
while(!CAS(this.owner, null, Thread.currentThread())){
}
}
public void unlock (){
this.owner = null;
}
}
