java并发编程(二十一)

在 java并发编程(十七)——深入剖析乐观锁-悲观锁 一文中我们在学习乐观锁时提到了CAS，本文来深入研究下CAS的原理及应用场景。

CAS的英文全称是 Compare-And-Swap，中文叫做“比较并交换”，它是一种思想、一种算法。

在多线程的情况下，各个代码的执行顺序是不能确定的，所以为了保证并发安全，我们可以使用互斥锁。而 CAS 的特点是避免使用互斥锁，当多个线程同时使用 CAS 更新同一个变量时，只有其中一个线程能够操作成功，而其他线程都会更新失败。不过和同步互斥锁不同的是，更新失败的线程并不会被阻塞，而是被告知这次由于竞争而导致的操作失败，但还可以再次尝试。

CAS 被广泛应用在并发编程领域中，以实现那些不会被打断的数据交换操作，从而就实现了无锁的线程安全。

在大多数处理器的指令中，都会实现 CAS 相关的指令，这一条指令就可以完成“比较并交换”的操作，也正是由于这是一条（而不是多条）CPU 指令，所以 CAS 相关的指令是具备原子性的，这个组合操作在执行期间不会被打断，这样就能保证并发安全。由于这个原子性是由 CPU 保证的，所以无需我们程序员来操心。

CAS 有三个操作数：内存值 V、预期值 A、要修改的值 B。CAS 最核心的思路就是，仅当预期值 A 和当前的内存值 V 相同时，才将内存值修改为 B。

我们对此展开描述一下：CAS 会提前假定当前内存值 V 应该等于值 A，而值 A 往往是之前读取到当时的内存值 V。在执行 CAS 时，如果发现当前的内存值 V 恰好是值 A 的话，那 CAS 就会把内存值 V 改成值 B，而值 B 往往是在拿到值 A 后，在值 A 的基础上经过计算而得到的。如果执行 CAS 时发现此时内存值 V 不等于值 A，则说明在刚才计算 B 的期间内，内存值已经被其他线程修改过了，那么本次 CAS 就不应该再修改了，可以避免多人同时修改导致出错。这就是 CAS 的主要思路和流程。

JDK 正是利用了这些 CAS 指令，可以实现并发的数据结构，比如 AtomicInteger 等原子类。

假设有两个线程，分别使用两个 CPU，它们都想利用 CAS 来改变右边的变量的值。我们先来看线程 1，它使用 CPU 1，假设它先执行，它期望当前的值是 100，并且想将其改成 150。在执行的时候，它会去检查当前的值是不是 100，发现真的是 100，所以可以改动成功，而当改完之后，右边的值就会从 100 变成 150：

如上图所示，假设现在才刚刚轮到线程 2 所使用的 CPU 2 来执行，它想要把这个值从 100 改成 200，所以它也希望当前值是 100，可实际上当前值是 150，所以它会发现当前值不是自己期望的值，所以并不会真正的去继续把 100 改成 200，也就是说整个操作都是没有效果的，此次没有修改成功，CAS 操作失败：

当然，接下来线程 2 还可以有其他的操作，这需要根据业务需求来决定，比如重试、报错或者干脆跳过执行。举一个例子，在秒杀场景下，多个线程同时执行秒杀，只要有一个执行成功就够了，剩下的线程当发现自己 CAS 失败了，其实说明兄弟线程执行成功了，也就没有必要继续执行了，这就是跳过操作。所以业务逻辑不同，就会有不同的处理方法，但无论后续怎么处理，之前的那一次 CAS 操作是已经失败了的。

接下来我们把 CAS 拆开，看看它内部究竟做了哪些事情。CAS 的等价语义的代码，如下所示：

在这段代码中有一个 compareAndSwap 方法，在这个方法里有两个入参，第 1 个入参期望值 expectedValue，第 2 个入参是 newValue，它就是我们计算好的新的值，我们希望把这个新的值去更新到变量上去。

你一定注意到了， compareAndSwap 方法是被 synchronized 修饰的，我们用同步方法为 CAS 的等价代码保证了原子性。

接下来我们来看在 compareAndSwap 方法里都做了哪些事情。需要先拿到变量的当前值，所以代码里用就会用 int oldValue = value 把变量的当前值拿到。然后就是 compare，也就是“比较”，所以此时会用 if (oldValue == expectedValue) 把当前值和期望值进行比较，如果它们是相等的话，那就意味着现在的值正好就是我们所期望的值，满足条件，说明此时可以进行 swap，也就是交换，所以就把 value 的值修改成 newValue，最后再返回 oldValue，完成了整个 CAS 过程。

CAS 最核心的思想就在上面这个流程中体现了，可以看出，compare 指的就是 if 里的比较，比较 oldValue 是否等于 expectedValue；同样，swap 实际上就是把 value 改成 newValue，并且返回 oldValue。所以这整个 compareAndSwap 方法就还原了 CAS 的语义，也象征了 CAS 指令在背后所做的工作。

上代码：