CAS 指的是現(xiàn)代 CPU 廣泛支持的一種對內(nèi)存中的共享數(shù)據(jù)進(jìn)行操作的一種特殊指令。這個指令會對內(nèi)存中的共享數(shù)據(jù)做原子的讀寫操作。
簡單介紹一下這個指令的操作過程：首先，CPU 會將內(nèi)存中將要被更改的數(shù)據(jù)與期望的值做比較。然后，當(dāng)這兩個值相等時，CPU 才會將內(nèi)存中的數(shù)值替換為新的值。否則便不做操作。最后，CPU 會將舊的數(shù)值返回。這一系列的操作是原子的。它們雖然看似復(fù)雜，但卻是 Java 5 并發(fā)機制優(yōu)于原有鎖機制的根本。簡單來說，CAS 的含義是“我認(rèn)為原有的值應(yīng)該是什么，如果是，則將原有的值更新為新值，否則不做修改，并告訴我原來的值是多少”。（這段描述引自《Java并發(fā)編程實踐》）
簡單的來說，CAS有3個操作數(shù)，內(nèi)存值V，舊的預(yù)期值A(chǔ)，要修改的新值B。當(dāng)且僅當(dāng)預(yù)期值A(chǔ)和內(nèi)存值V相同時，將內(nèi)存值V修改為B，否則返回V。這是一種樂觀鎖的思路，它相信在它修改之前，沒有其它線程去修改它；而Synchronized是一種悲觀鎖，它認(rèn)為在它修改之前，一定會有其它線程去修改它，悲觀鎖效率很低。
下面看一個簡單的例子：
|
1
2
3
|
if(a==b) { a++; } |
試想一下如果在做a++之前a的值被改變了怎么辦？a++還執(zhí)行嗎？出現(xiàn)該問題的原因是在多線程環(huán)境下，a的值處于一種不定的狀態(tài)。采用鎖可以解決此類問題，但CAS也可以解決，而且可以不加鎖。
|
1
2
3
4
5
6
|
int expect = a; if(a.compareAndSet(expect,a+1)) { doSomeThing1(); } else { doSomeThing2(); } |
這樣如果a的值被改變了a++就不會被執(zhí)行。
按照上面的寫法，a!=expect之后,a++就不會被執(zhí)行，如果我們還是想執(zhí)行a++操作怎么辦，沒關(guān)系，可以采用while循環(huán)
|
1
2
3
4
5
6
7
8
9
|
while(true) { int expect = a; if (a.compareAndSet(expect, a + 1)) { doSomeThing1(); return; } else { doSomeThing2(); } } |
采用上面的寫法，在沒有鎖的情況下實現(xiàn)了a++操作，這實際上是一種非阻塞算法。
應(yīng)用
java.util.concurrent.atomic包中幾乎大部分類都采用了CAS操作，以AtomicInteger為例，看看它幾個主要方法的實現(xiàn)：
|
1
2
3
4
5
6
7
|
public final int getAndSet(int newValue) { for (;;) { int current = get(); if (compareAndSet(current, newValue)) return current; } } |
getAndSet方法JDK文檔中的解釋是：以原子方式設(shè)置為給定值，并返回舊值。原子方式體現(xiàn)在何處，就體現(xiàn)在compareAndSet上，看看compareAndSet是如何實現(xiàn)的：
|
1
2
3
|
public final boolean compareAndSet(int expect, int update) { return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update); } |
不出所料，它就是采用的Unsafe類的CAS操作完成的。
再來看看a++操作是如何實現(xiàn)的：
|
1
2
3
4
5
6
7
8
|
public final int getAndIncrement() { for (;;) { int current = get(); int next = current + 1; if (compareAndSet(current, next)) return current; } } |
幾乎和最開始的實例一模一樣，也是采用CAS操作來實現(xiàn)自增操作的。
++a操作和a++操作類似，只不過返回結(jié)果不同罷了
|
1
2
3
4
5
6
7
8
|
public final int incrementAndGet() { for (;;) { int current = get(); int next = current + 1; if (compareAndSet(current, next)) return next; } } |
此外，java.util.concurrent.ConcurrentLinkedQueue類全是采用的非阻塞算法，里面沒有使用任何鎖，全是基于CAS操作實現(xiàn)的。CAS操作可以說是JAVA并發(fā)框架的基礎(chǔ)，整個框架的設(shè)計都是基于CAS操作的。
缺點：
1、ABA問題
維基百科上給了一個活生生的例子——
你拿著一個裝滿錢的手提箱在飛機場，此時過來了一個火辣性感的美女，然后她很暖昧地挑逗著你，并趁你不注意的時候，把用一個一模一樣的手提箱和你那裝滿錢的箱子調(diào)了個包，然后就離開了，你看到你的手提箱還在那，于是就提著手提箱去趕飛機去了。
這就是ABA的問題。
CAS操作容易導(dǎo)致ABA問題,也就是在做a++之間，a可能被多個線程修改過了，只不過回到了最初的值，這時CAS會認(rèn)為a的值沒有變。a在外面逛了一圈回來，你能保證它沒有做任何壞事，不能！！也許它討閑，把b的值減了一下，把c的值加了一下等等，更有甚者如果a是一個對象，這個對象有可能是新創(chuàng)建出來的，a是一個引用呢情況又如何，所以這里面還是存在著很多問題的，解決ABA問題的方法有很多，可以考慮增加一個修改計數(shù)，只有修改計數(shù)不變的且a值不變的情況下才做a++，也可以考慮引入版本號，當(dāng)版本號相同時才做a++操作等，這和事務(wù)原子性處理有點類似！
2、比較花費CPU資源，即使沒有任何爭用也會做一些無用功。
3、會增加程序測試的復(fù)雜度，稍不注意就會出現(xiàn)問題。
總結(jié)
可以用CAS在無鎖的情況下實現(xiàn)原子操作，但要明確應(yīng)用場合，非常簡單的操作且又不想引入鎖可以考慮使用CAS操作，當(dāng)想要非阻塞地完成某一操作也可以考慮CAS。不推薦在復(fù)雜操作中引入CAS，會使程序可讀性變差，且難以測試，同時會出現(xiàn)ABA問題。
以上是本文關(guān)于Java編程cas操作的全部內(nèi)容，希望對大家能有所幫助。
原文鏈接：http://blog.csdn.net/aesop_wubo/article/details/7537960
