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🌷 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。

⭐️ 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

1. check and set (if 判定然后设定值) [上面的 CAS 伪代码就是这种形式]
2. read and update (i++)

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)

⭐️ 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。

🌷 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();

伪代码实现:

class AtomicInteger {
    private int value;
    public int getAndIncrement() {
        int oldValue = value;
        while ( CAS(value, oldValue, oldValue+1) != true) {
            oldValue = value;
       }
        return oldValue;
   }
}

举个例子：

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class Demo01_CAS {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 原子整形
        AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();

        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 50000; i++) {
                // 自增
                atomicInteger.getAndIncrement();
            }
        });
        t1.start();

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 50000; i++) {
                // 自增
                atomicInteger.getAndIncrement();
            }
        });
        t2.start();

        // 等待两个线程执行完成
        t1.join();
        t2.join();
        // 打印结果
        System.out.println(atomicInteger.get());
    }
}

两个线程同时调用 getAndIncrement

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)
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 这样的操作在代码角度不是原子的. 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;
   }
}

🌷 CAS 的 ABA 问题

⭐️ 什么是 ABA 问题

ABA 的问题:
假设存在两个线程 t1 和 t2. 有一个共享变量 num, 初始值为 A.
接下来, 线程 t1 想使用 CAS 把 num 值改成 Z, 那么就需要

先读取 num 的值, 记录到 oldNum 变量中.
使用 CAS 判定当前 num 的值是否为 A, 如果为 A, 就修改成 Z.

但是, 在 t1 执行这两个操作之间, t2 线程可能把 num 的值从 A 改成了 B, 又从 B 改成了 A
线程 t1 的 CAS 是期望 num 不变就修改. 但是 num 的值已经被 t2 给改了. 只不过又改成 A 了. 这个时候 t1 究竟是否要更新 num 的值为 Z 呢?
到这一步, t1 线程无法区分当前这个变量始终是 A, 还是经历了一个变化过程

这就好比, 我们买一个手机, 无法判定这个手机是刚出厂的新手机, 还是别人用旧了, 又翻新过的手机.