Java中對於cas操作的解析

這篇文章透過實例，解析了Java程式設計中cas操作的概念、原理以及用法，具有一定參考價值，需要的朋友可以了解下。

CAS 指的是現代 CPU 廣泛支援的一種對記憶體中的共享資料進行操作的一種特殊指令。這個指令會對記憶體中的共享資料做原子的讀寫操作。

簡單介紹一下這個指令的操作過程：首先，CPU 會將記憶體中將要被更改的資料與期望的值做比較。然後，當這兩個值相等時，CPU 才會將記憶體中的數值替換為新的值。否則便不做操作。最後，CPU 會將舊的數值回傳。這一系列的操作是原子的。它們雖然看似複雜，但卻是 Java 5 並發機制優於原有鎖機制的根本。簡單來說，CAS 的意思是「我認為原有的值應該是什麼，如果是，則將原有的值更新為新值，否則不做修改，並告訴我原來的值是多少」。 （這段描述引自《Java並發程式設計實踐》）

簡單的來說，CAS有3個運算元，記憶體值V，舊的預期值A，要修改的新值B 。當且僅當預期值A和記憶體值V相同時，將記憶體值V修改為B，否則傳回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：

if(a==b) { 
  a++; 
}

試想一下如果在做a++之前a的值被改變了怎麼辦？ a++還執行嗎？出現該問題的原因是在多執行緒環境下，a的值處於一種不定的狀態。採用鎖可以解決此類問題，但CAS也可以解決，而且可以不加鎖。

int expect = a; 
if(a.compareAndSet(expect,a+1)) { 
  doSomeThing1(); 
} else { 
  doSomeThing2(); 
}

這樣如果a的值被改變了a++就不會被執行。

依照上面的寫法，a!=expect之後,a++就不會被執行，如果我們還是想執行a++運算怎麼辦，沒關係，可以採用while迴圈

while(true) { 
  int expect = a; 
  if (a.compareAndSet(expect, a + 1)) { 
    doSomeThing1(); 
    return; 
  } else { 
    doSomeThing2(); 
  } 
}

採用上面的寫法，在沒有鎖的情況下實作了a++操作，這其實是一種非阻塞演算法。

應用程式

java.util.concurrent.atomic套件中幾乎大部分類別都採用了CAS操作，以AtomicInteger為例，看看它幾個主要方法的實作：

public final int getAndSet(int newValue) { 
  for (;;) { 
    int current = get(); 
    if (compareAndSet(current, newValue)) 
      return current; 
  } 
}

getAndSet方法JDK文件中的解釋是：以原子方式設定為給定值，並傳回舊值。原子方式體現在何處，就體現在compareAndSet上，看看compareAndSet是如何實現的：

public final boolean compareAndSet(int expect, int update) { 
  return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update); 
}

不出所料，它就是採用的Unsafe類別的CAS操作完成的。

再來看看a++運算是如何實作的：

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，也是採用CAS運算來實作自增操作的。

++a操作和a++操作類似，只不過返回結果不同罷了

public final int incrementAndGet() { 
  for (;;) { 
    int current = get(); 
    int next = current + 1; 
    if (compareAndSet(current, next)) 
      return next; 
  } 
}

此外，java.util.concurrent.ConcurrentLinkedQueue類全是採用的非阻塞演算法，裡面沒有使用任何鎖，全是基於CAS操作實現的。 CAS操作可以說是JAVA並發框架的基礎，整個框架的設計都是基於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，然後她很暖昧地挑逗著你，並趁你不注意的時候，把用一個一模一樣的手提箱和你那裝滿錢的箱子調了個包，然後就離開了，你看到你的手提箱還在那，於是就提著手提箱去趕飛機去了。

這就是ABA的問題。

CAS運算容易導致ABA問題,也就是在做a++之間，a可能被多個執行緒修改過了，只不過回到了最初的值，這時CAS會認為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！ ！也許它討閒，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，這個對像有可能是新創建出來的，a是一個引用呢情況又如何，所以這裡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，只有修改計數不變的且a值不變的情況下才做a++，也可以考慮引入版本號，當版本號相同時才做a++操作等，這和事務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、會增加程式測試的複雜度，稍不注意就會出現問題。

總結

#

可以用CAS在無鎖的情況下實現原子操作，但要明確應用場合，非常簡單的操作且又不想引入鎖可以考慮使用CAS操作，當想要非阻塞地完成某一操作也可以考慮CAS。不建議在複雜操作中引入CAS，會使程序可讀性變差，且難以測試，同時會出現ABA問題。

以上是Java中對於cas操作的解析的詳細內容。更多資訊請關注PHP中文網其他相關文章！