金三银四精选面试题-CAS是一种什么样的同步机制？

CAS是一种什么样的同步机制？

在高并发的业务场景下，线程安全问题是必须考虑的，在JDK5之前，可以通过synchronized或Lock来保证同步，从而达到线程安全的目的。但synchronized或Lock方案属于互斥锁的方案，比较重量级，加锁、释放锁都会引起性能损耗问题。

而在某些场景下，我们是可以通过JUC提供的CAS机制实现无锁的解决方案，或者说是它基于类似于乐观锁的方案，来达到非阻塞同步的方式保证线程安全。

CAS是Compare And Swap的缩写，直译就是比较并交换。CAS是现代CPU广泛支持的一种对内存中的共享数据进行操作的一种特殊指令，这个指令会对内存中的共享数据做原子的读写操作。其作用是让CPU比较内存中某个值是否和预期的值相同，如果相同则将这个值更新为新值，不相同则不做更新。

本质上来讲CAS是一种无锁的解决方案，也是一种基于乐观锁的操作，可以保证在多线程并发中保障共享资源的原子性操作，相对于synchronized或Lock来说，是一种轻量级的实现方案。

Java中大量使用了CAS机制来实现多线程下数据更新的原子化操作，比如AtomicInteger、CurrentHashMap当中都有CAS的应用。但Java中并没有直接实现CAS，CAS相关的实现是借助C/C++调用CPU指令来实现的，效率很高，但Java代码需通过JNI才能调用。比如，Unsafe类提供的CAS方法（如compareAndSwapXXX）底层实现即为CPU指令cmpxchg。

CAS的基本流程：

在上图中涉及到三个值的比较和操作：修改之前获取的（待修改）值A，业务逻辑计算的新值B，以及待修改值对应的内存位置的C。

整个处理流程中，假设内存中存在一个变量i，它在内存中对应的值是A（第一次读取），此时经过业务处理之后，要把它更新成B，那么在更新之前会再读取一下i现在的值C，如果在业务处理的过程中i的值并没有发生变化，也就是A和C相同，才会把i更新（交换）为新值B。如果A和C不相同，那说明在业务计算时，i的值发生了变化，则不更新（交换）成B。最后，CPU会将旧的数值返回。而上述的一系列操作由CPU指令来保证是原子的。

在《Java并发编程实践》中对CAS进行了更加通俗的描述：我认为原有的值应该是什么，如果是，则将原有的值更新为新值，否则不做修改，并告诉我原来的值是多少。

在上述路程中，我们可以很清晰的看到乐观锁的思路，而且这期间并没有使用到锁。因此，相对于synchronized等悲观锁的实现，效率要高非常多。

CAS的缺点：

• 循环时间长，开销大；

• 只能保证一个共享变量的原子操作；  

• ABA问题；

循环时间长开销大

在分析Unsafe源代码的时候我们已经提到，在Unsafe的实现中使用了自旋锁的机制。在该环节如果CAS操作失败，就需要循环进行CAS操作(do while循环同时将期望值更新为最新的)，如果长时间都不成功的话，那么会造成CPU极大的开销。如果JVM能支持处理器提供的pause指令那么效率会有一定的提升。

只能保证一个共享变量的原子操作

在最初的实例中，可以看出是针对一个共享变量使用了CAS机制，可以保证原子性操作。但如果存在多个共享变量，或一整个代码块的逻辑需要保证线程安全，CAS就无法保证原子性操作了，此时就需要考虑采用加锁方式（悲观锁）保证原子性，或者有一个取巧的办法，把多个共享变量合并成一个共享变量进行CAS操作。

ABA问题

虽然使用CAS可以实现非阻塞式的原子性操作，但是会产生ABA问题，ABA问题出现的基本流程：

• 进程P1在共享变量中读到值为A；

• P1被抢占了，进程P2执行；  

• P2把共享变量里的值从A改成了B，再改回到A，此时被P1抢占；  

• P1回来看到共享变量里的值没有被改变，于是继续执行；  

虽然P1以为变量值没有改变，继续执行了，但是这个会引发一些潜在的问题。ABA问题最容易发生在lock free的算法中的，CAS首当其冲，因为CAS判断的是指针的地址。如果这个地址被重用了呢，问题就很大了（地址被重用是很经常发生的，一个内存分配后释放了，再分配，很有可能还是原来的地址）。

维基百科上给了一个形象的例子：你拿着一个装满钱的手提箱在飞机场，此时过来了一个火辣性感的美女，然后她很暖昧地挑逗着你，并趁你不注意，把用一个一模一样的手提箱和你那装满钱的箱子调了个包，然后就离开了，你看到你的手提箱还在那，于是就提着手提箱去赶飞机去了。

ABA问题的解决思路就是使用版本号：在变量前面追加上版本号，每次变量更新的时候把版本号加1，那么A->B->A就会变成1A->2B->3A。

另外，从Java 1.5开始，JDK的Atomic包里提供了一个类AtomicStampedReference来解决ABA问题。这个类的compareAndSet方法的作用是首先检查当前引用是否等于预期引用，并且检查当前标志是否等于预期标志，如果全部相等，则以原子方式将该引用和该标志的值设置为给定的更新值。