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Java中提供了很多原子操作类来保证共享变量操作的原子性。这些原子操作的底层原理都是使用了CAS机制。在使用一门技术之前，了解这个技术的底层原理是非常重要的，所以本篇文章就先来讲讲什么是CAS机制，CAS机制存在的一些问题以及在Java中怎么使用CAS机制。

其实Java并发框架的O ~ A D y O P H基石一共有两块，一块是本文介绍的CAS，另一块就是AQS，后续也会写文章介绍。

什么是CAS机制

CAS机制是一种数据更新i _ T E ( / t的方式。在具体讲什么是CAS机制之前+ l j N F，我们先来聊下在多线程环境下，对共享变量进行数据更新的两种模式：悲观j V 9 r Q锁模式和乐观锁模式。

悲O _ B k J D H l观锁更新的方式认为：在更c { ^ 新数据的时候大概& ? x率会有其他线程去争* D 7 u B Y L夺共享资源，所以悲观锁的做法是：第一个获取资源的线程会将资源锁定起来，其他没争夺到资源的线程只能进入阻塞队列，等第一个获取资源的线程释放锁之后，这些线程才能有机会重新争夺资源。synchronized就是java中悲观锁的| o 2 9典型实现，sx u 9 H B 1 O ; $ynchronized使用起来非常简单方便，但是会使没争抢到资源的线程进入阻塞状态，线程在阻塞状态和Runnable状态之间切换效率较低（比较慢）。比如你的更新操作其实是非常快的，这种情况下你还用synchronized将其他线程都锁住了，线程从Blocked状态切换回Runnable华的时间可能比你的更新操作的时间还要长。

乐观锁更新方式认为:在更新数据的时候其他w ] ^线程争抢这个共享变量的概率非常小，所以更新数据的时候不会对共享数据加锁。但是在正式更新数r p ? U 4 x u ] ?据之前会检查数据是否被H { ` - ? X 3 3 N其他线程改变过，如果未被其他线程改变过就将共享变量更新成最新值，如果发现共享变量已经被其他线2 ( w 4 l N程更新过了，就重试，直到成功为止。CAS机制就是乐观锁的典型实现。

CAS，是Compare and Swap的简称，在这个机制中有三个核心的参数：

• 主内存中存放的共享变量的值：V（y u = r 8 D d一般情况下这个V是内存的地址值，通过这个地址可以获得内存中的值）
• 工作内存中共享变量的副本值，也叫预期值：A
• 需要将共享变量更新到的最新+ U & o ) I值：B

如上图中，主存中保存V值，线程中要使用3 : 5 A p !V值要先从主存中读取V值b I N w e 3 w $ y到线程的工作内存A中，然后M : 4 K _计算后变成B值，最后再把B值写回到内存V值中。多个线程共用V值都是如此操作。CAS的核心是在将B值写入P V b x o到V之前要比较A值和V值是否相同，如果不相同证明此时V值已经被其他线程改变，重新- s v ^ ] .将V值赋给A，并重新计算得到B，如果相同t - 2，则将B值赋给V。

值得注意的是CAS机制中的这步步骤是原子性的（从指令层面提供的原子] O M操作），所以CAS机制` ? ~可以解决多线程并发编程对 q 6 n N Y共享变量读写的原子性问题。

CAS机制优缺点

缺点

1. ABA问题
ABA问题：CAS在操作的时候会检查变量的值是否被更改过，如果) y ?没有则更新值，但是带来一个问题，最开始的值是A，接着变成M W j - [ o , r jB，最后又变成了A。经过检查这个值确实没有修改过，因为最后的值还是A，但是实际上这个值确实已经被修改过了。为了解决这个问题，在每次进行操作的时候加上一个版本号，每次操作的就是两个值，一个版本号和某个值，A——>_ { d Q - ; L ~ RB——>A问题就变成了j x * 1 $ W1A——>2B——>3A。在jdk中提供了AtomicStampedReferenc$ _ / e 7 ` ; e ze类解决ABA问题，用Pair这个内部类s , 1 M D :实现^ @ /，包含两个属性，分别代表版本号和引用，在compareAndSet中先对7 # X F # v当前引用进行检查，再对版l $ g l d本号标志进行检查，只有全部相等才更新值。

2. 可能会消耗较高的CPU
看起来CAS比锁的效率高4 g H 5 & B R 9 I，从阻塞机制变成了非阻塞机制，减少了4 g +线程之间等待的时间。每个方法不能绝对的比另一个好，在线程之间竞争程度大的时候，如果使用CAS，每次都有很多的线程在竞争， M +也就是说CAS机制不能更新成功。这种情况下C, P X ^AS机制会一直重试，这样就会比较耗费CPU。因此可以看出机制p K M W A ^ x %比使用锁机制效率更高；

Java提供的CAS操作类--Unsafe类

从Java5开始引入了对CAS机制的底层的支持，在这之前需要开R M ! : ) P `发人员编写相关的代码才可以实现C: T X { ! m - ZAS。在原子变量类Ato5 Q smic中（例如AtomicInteger、AtomicLong）可以看到CAS操作的代码，在这里的代码都是调用了底层（核心代码调用native修饰的方法）的实现方法。在AtomicInJ 9 K Q 4 Q e b ! Z下面就简单介绍下Unsafe类的API：

• long objectFieldOffset（Field field）方法：返回指定的变量在所属类中的内存偏移地址，该偏移地址仅仅在该Unsafe函数中访问指定字段时R 8 8 5 F F E D 6 2wapLongD G #(var1, v` u U D 3 i v ; Lar2, var6, var4));
  
  return var6;} } s b `
  }
  • long getAndAddLong（Object obj, lo9 ` y ] E } a 2 $ng offset, long addValue）方F r ` /法：获取对象obj中偏移量为offset的变量volatile语义的当前值，并设置变量值为原始值+addValue，原理和上面的方法类似。

  CAS使r 3 h | ~ J H用场景

  • 使用一个变量统计网站的访问量；
  • Atomic类操作；
  • 数据库乐观锁更新。

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