前言

Java并發(fā)編程系列番外篇C A S（Compare and swap），文章風(fēng)格依然是圖文并茂，通俗易懂，讓讀者們也能與面試官瘋狂對(duì)線。C A S（Compare and swap），文章風(fēng)格依然是圖文并茂，通俗易懂，讓讀者們也能與面試官瘋狂對(duì)線。

C A S作為并發(fā)編程必不可少的基礎(chǔ)知識(shí)，面試時(shí)C A S也是個(gè)高頻考點(diǎn)，所以說(shuō)C A S是必知必會(huì)，本文將帶讀者們深入理解C A S

大綱

C A S基本概念

C A S（compareAndSwap）也叫比較交換，是一種無(wú)鎖原子算法，映射到操作系統(tǒng)就是一條cmpxchg硬件匯編指令（保證原子性），其作用是讓C P U將內(nèi)存值更新為新值，但是有個(gè)條件，內(nèi)存值必須與期望值相同，并且C A S操作無(wú)需用戶(hù)態(tài)與內(nèi)核態(tài)切換，直接在用戶(hù)態(tài)對(duì)內(nèi)存進(jìn)行讀寫(xiě)操作（意味著不會(huì)阻塞/線程上下文切換）。

它包含3個(gè)參數(shù)<code style="font-size: 14px;overflow-wrap: break-word;padding: 2px 4px;border-radius: 4px;margin-right: 2px;margin-left: 2px;background-color : rgba(27, 31, 35, 0.05);font-family: " operator mono consolas monaco menlo monospace break-all rgb> C A S（V，E，N），V表示待更新的內(nèi)存值，E表示預(yù)期值，N表示新值，當(dāng) V值相等E值時(shí)，將會(huì)V值更新成N值，如果V值和E值不等，不做更新，這就是一次C A S 的操作。3個(gè)參數(shù)C A S（V，E，N），V表示待更新的內(nèi)存值，E表示預(yù)期值，N表示新值，當(dāng) V值等于E值時(shí)，才會(huì)將V值更新成N值，如果V值和E值不等，不做更新，這就是一次C A S的操作。

簡(jiǎn)單說(shuō)，C A S

C A S如何保證原子性

原子性是指一個(gè)或者多個(gè)操作在C P U執(zhí)行的過(guò)程中不被中斷的特性，要么執(zhí)行，要不執(zhí)行，不能執(zhí)行到一半（不可被中斷的一個(gè)或一系列操作）。C P U執(zhí)行的過(guò)程中不被中斷的特性，要么執(zhí)行，要不執(zhí)行，不能執(zhí)行到一半（不可被中斷的一個(gè)或一系列操作）。

為了保證C A S的原子性，C P U提供了下面兩種方式

• 總線鎖定
• 緩存鎖定

總線鎖定

總線（B U S）是計(jì)算機(jī)組件間的傳輸數(shù)據(jù)方式，也就是說(shuō)C P U與其他組件連接傳輸數(shù)據(jù)，就是靠總線完成的，比如C P U

• 總線鎖定
• 緩存鎖定

????總線鎖定???? ??

家居鎖定是指CPU使用了家居鎖，所謂家居鎖就是使用CPU 提供的LOCK#信號(hào)，當(dāng)CPU在樓梯上輸出LOCK#信號(hào)時(shí)，其他C P U 的請(qǐng)求請(qǐng)求將被阻塞。C P U使用了總線鎖，所謂總線鎖就是使用C P U提供的LOCK#信號(hào)，當(dāng)C P U在總線上輸出LOCK#信號(hào)時(shí)，其他C P U的總線請(qǐng)求將被阻塞。

緩存鎖定

總線鎖定方式雖然保證了原子性，但是在鎖定期間，會(huì)導(dǎo)致大量阻塞，增加系統(tǒng)的性能開(kāi)銷(xiāo)，所以現(xiàn)代C P U為了提升性能，通過(guò)鎖定范圍縮小的思想設(shè)計(jì)出了緩存行鎖定（緩存行是C P U

緩存鎖定

所謂緩存鎖定是指C P U對(duì)C P U對(duì)緩存行進(jìn)行鎖定，當(dāng)緩存行中的共享變量回寫(xiě)到內(nèi)存時(shí)，其他C P U會(huì)通過(guò)總線嗅探機(jī)制感知該共享變量是否發(fā)生變化，如果發(fā)生變化，讓自己對(duì)應(yīng)的共享變量緩存行失效，重新從內(nèi)存讀取最新的數(shù)據(jù)，緩存鎖定是基于緩存一致性機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)榫彺嬉恢滦詸C(jī)制會(huì)阻止兩個(gè)以上C P U同時(shí)修改同一個(gè)共享變量（現(xiàn)代C P U基本都支持和使用緩存鎖定機(jī)制）。

C A S的問(wèn)題

C A S和鎖都解決了原子性問(wèn)題，和鎖相比沒(méi)有阻塞、線程上下文你切換、死鎖，所以C A S要比鎖擁有更優(yōu)越的性能，但是C A S同樣存在缺點(diǎn)。

C A S緩存行

C A S的問(wèn)題

• 只能保證一個(gè)共享變量的原子操作
• 自旋時(shí)間太長(zhǎng)（建立在自旋鎖的基礎(chǔ)上）
• ABA問(wèn)題ABA問(wèn)題

只能保證一個(gè)共享變量原子操作

C A S只能針對(duì)一個(gè)共享變量使用，如果多個(gè)共享變量就只能使用鎖了，當(dāng)然如果你有辦法把多個(gè)變量整成一個(gè)變量，利用C A S也不錯(cuò)，例如讀寫(xiě)鎖中state

只能保證一個(gè)共享變量原子操作

C A S只能針對(duì)一個(gè)共享變量使用，如果多個(gè)共享變量就只能使用鎖了，當(dāng)然如果你有辦法把多個(gè)變量整成一個(gè)變量，利用C A S也不錯(cuò)，例如讀寫(xiě)鎖中state的高低位。??

自旋時(shí)間太長(zhǎng)

當(dāng)一個(gè)線程獲取鎖時(shí)失敗，不進(jìn)行阻塞掛起，而是間隔一段時(shí)間再次嘗試獲取，直到成功為止，這種循環(huán)獲取的機(jī)制被稱(chēng)為自旋鎖(spinlock)。spinlock)。

自旋鎖好處是，持有鎖的線程在短時(shí)間內(nèi)釋放鎖，那些等待競(jìng)爭(zhēng)鎖的線程就不需進(jìn)入阻塞狀態(tài)（無(wú)需線程上下文切換/無(wú)需用戶(hù)態(tài)與內(nèi)核態(tài)切換），它們只需要等一等（自旋），等到持有鎖的線程釋放鎖之后即可獲取，這樣就避免了用戶(hù)態(tài)和內(nèi)核態(tài)的切換消耗。

自旋鎖壞處顯而易見(jiàn)，線程在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)持有鎖，等待競(jìng)爭(zhēng)鎖的線程一直自旋，即CPU一直空轉(zhuǎn)，資源浪費(fèi)在毫無(wú)意義的地方，所以一般會(huì)限制自旋次數(shù)。

最后來(lái)說(shuō)自旋鎖的實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)自旋鎖可以基于C A S實(shí)現(xiàn)，先定義lockValue對(duì)象默認(rèn)值1，1代表鎖資源空閑，0

public?class?SpinLock?{
????
????//lockValue?默認(rèn)值1
????private?AtomicInteger?lockValue?=?new?AtomicInteger(1);
????
????//自旋獲取鎖
????public?void?lock(){

????????//?循環(huán)檢測(cè)嘗試獲取鎖
????????while?(!tryLock()){
????????????//?空轉(zhuǎn)
????????}

????}
????
????//獲取鎖
????public?boolean?tryLock(){
????????//?期望值1，更新值0，更新成功返回true，更新失敗返回false
????????return?lockValue.compareAndSet(1,0);
????}
????
????//釋放鎖
????public?void?unLock(){
????????if(!lockValue.compareAndSet(1,0)){
????????????throw?new?RuntimeException("釋放鎖失敗");
????????}
????}

}

上面定義了AtomicInteger類(lèi)型的lockValue變量，AtomicInteger是Java基于C A S實(shí)現(xiàn)的Integer原子操作類(lèi)，還定義了3個(gè)函數(shù)lock、tryLock、unLock

tryLock函數(shù)-獲取鎖

• 期望值1，更新值0
• C A S更新C A S更新
• 如果期望值與lockValue值相等，則lockValue值更新為0，返回true，否則執(zhí)行下面邏輯
• 如果期望值與lockValue值不相等，不做任何更新，返回false

如果期望值與lockValue值足夠，則lockValue值更新為0，返回 true，否則執(zhí)行下面邏輯

• 期望值0，更新值10，更新值1
• C A S更新
• 如果期望值與lockValue值相等，則lockValue值更新為1，返回true，否則執(zhí)行下面邏輯
• 如果期望值與lockValue值不相等，不做任何更新，返回false

C A S更新