『圖解Java并發』面試必問的CAS原理你會了嗎？
本文轉載自微信公眾號「愛笑的架構師」，作者雷小帥。轉載本文請聯系愛笑的架構師公眾號。
在并發編程中我們都知道i++操作是非線程安全的，這是因為 i++操作不是原子操作。
如何保證原子性呢?常用的方法就是加鎖。在Java語言中可以使用 Synchronized和CAS實現加鎖效果。
Synchronized是悲觀鎖，線程開始執行第一步就是獲取鎖，一旦獲得鎖，其他的線程進入后就會阻塞等待鎖。如果不好理解，舉個生活中的例子：一個人進入廁所后首先把門鎖上(獲取鎖)，然后開始上廁所，這個時候有其他人來了只能在外面等(阻塞)，就算再急也沒用。上完廁所完事后把門打開(解鎖)，其他人就可以進入了。
CAS是樂觀鎖，線程執行的時候不會加鎖，假設沒有沖突去完成某項操作，如果因為沖突失敗了就重試，最后直到成功為止。
什么是 CAS?
CAS(Compare-And-Swap)是比較并交換的意思，它是一條 CPU 并發原語，用于判斷內存中某個值是否為預期值，如果是則更改為新的值，這個過程是原子的。下面用一個小示例解釋一下。
CAS機制當中使用了3個基本操作數：內存地址V，舊的預期值A，計算后要修改后的新值B。
(1)初始狀態：在內存地址V中存儲著變量值為 1。
(2)線程1想要把內存地址為 V 的變量值增加1。這個時候對線程1來說，舊的預期值A=1，要修改的新值B=2。
(3)在線程1要提交更新之前，線程2捷足先登了，已經把內存地址V中的變量值率先更新成了2。
(4)線程1開始提交更新，首先將預期值A和內存地址V的實際值比較(Compare)，發現A不等于V的實際值，提交失敗。
(5)線程1重新獲取內存地址 V 的當前值，并重新計算想要修改的新值。此時對線程1來說，A=2，B=3。這個重新嘗試的過程被稱為自旋。如果多次失敗會有多次自旋。
(6)線程 1 再次提交更新，這一次沒有其他線程改變地址 V 的值。線程1進行Compare，發現預期值 A 和內存地址 V的實際值是相等的，進行 Swap 操作，將內存地址 V 的實際值修改為 B。
總結：更新一個變量的時候，只有當變量的預期值 A 和內存地址 V 中的實際值相同時，才會將內存地址 V 對應的值修改為 B，這整個操作就是CAS。
CAS 基本原理
CAS 主要包括兩個操作：Compare和Swap，有人可能要問了：兩個操作能保證是原子性嗎?可以的。
CAS 是一種系統原語，原語屬于操作系統用語，原語由若干指令組成，用于完成某個功能的一個過程，并且原語的執行必須是連續的，在執行過程中不允許被中斷，也就是說 CAS 是一條 CPU 的原子指令，由操作系統硬件來保證。
在 Intel 的 CPU 中，使用 cmpxchg 指令。
回到 Java 語言，JDK 是在 1.5 版本后才引入 CAS 操作，在sun.misc.Unsafe這個類中定義了 CAS 相關的方法。
- public final native boolean compareAndSwapObject(Object o, long offset, Object expected, Object x);
- public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset, int expected, int x);
- public final native boolean compareAndSwapLong(Object o, long offset, long expected, long x);
可以看到方法被聲明為native，如果對 C++ 比較熟悉可以自行下載 OpenJDK 的源碼查看 unsafe.cpp，這里不再展開分析。
CAS 在 Java 語言中的應用
在 Java 編程中我們通常不會直接使用到 CAS，都是通過 JDK 封裝好的并發工具類來間接使用的，這些并發工具類都在java.util.concurrent包中。
J.U.C 是java.util.concurrent的簡稱，也就是大家常說的 Java 并發編程工具包，面試常考，非常非常重要。
目前 CAS 在 JDK 中主要應用在 J.U.C 包下的 Atomic 相關類中。
比如說 AtomicInteger 類就可以解決 i++ 非原子性問題，通過查看源碼可以發現主要是靠 volatile 關鍵字和 CAS 操作來實現，具體原理和源碼分析后面的文章會展開分析。
CAS 的問題
CAS 不是萬能的，也有很多問題。
敲黑板：CAS有哪些問題，這是面試高頻考點，需要重點掌握。
典型 ABA 問題
ABA 是 CAS 操作的一個經典問題，假設有一個變量初始值為 A，修改為 B，然后又修改為 A，這個變量實際被修改過了，但是 CAS 操作可能無法感知到。
如果是整形還好，不會影響最終結果，但如果是對象的引用類型包含了多個變量，引用沒有變實際上包含的變量已經被修改，這就會造成大問題。
如何解決?思路其實很簡單，在變量前加版本號，每次變量更新了就把版本號加一，結果如下：
最終結果都是 A 但是版本號改變了。
從 JDK 1.5 開始提供了AtomicStampedReference類，這個類的 compareAndSe方法首先檢查當前引用是否等于預期引用，并且當前標志是否等于預期標志，如果全部相等，則以原子方式將該引用和該標志的值設置為給定的更新值。
自旋開銷問題
CAS 出現沖突后就會開始自旋操作，如果資源競爭非常激烈，自旋長時間不能成功就會給 CPU 帶來非常大的開銷。
解決方案：可以考慮限制自旋的次數，避免過度消耗 CPU;另外還可以考慮延遲執行。
只能保證單個變量的原子性
當對一個共享變量執行操作時，可以使用 CAS 來保證原子性，但是如果要對多個共享變量進行操作時，CAS 是無法保證原子性的，比如需要將 i 和 j 同時加 1：
- i++;j++;
這個時候可以使用 synchronized 進行加鎖，有沒有其他辦法呢?有，將多個變量操作合成一個變量操作。從 JDK1.5 開始提供了AtomicReference 類來保證引用對象之間的原子性，你可以把多個變量放在一個對象里來進行CAS操作。
有態度的總結
CAS 是 Compare And Swap，是一條 CPU 原語，由操作系統保證原子性。
Java語言從 JDK1.5 版本開始引入 CAS ， 并且是 Java 并發編程J.U.C 包的基石，應用非常廣泛。
當然 CAS 也不是萬能的，也有很多問題：典型 ABA 問題、自旋開銷問題、只能保證單個變量的原子性。
