java面试之CAS的理解

CAS ,compare and swap，比较并交换，java.util.concurrent包中借助CAS实现了区别于synchronouse同步锁的一种乐观锁。

如何实现CAS的原子性

Unsafe是CAS的核心类，由于java无法直接访问底层系统，需要通过本地（Native）方法来访问，Unsafe相当于一个后门，java基于该类中的方法可以像C指针一样直接操作内存。调用Unsafe类中的CAS方法，JVM会帮助我们实现CAS汇编指令，这是一种完全依赖于硬件的功能，通过它实现了原子操作。再次强调，由于CAS是一种系统原语，原语属于操作系统应用范畴，是由若干条指令组成，用于完成某个功能的一个过程，并且原语的执行必须是连续的，在执行过程中不允许被中断，也就是说CAS是一条CPU的原子指令，不会造成所谓的数据不一致的问题，也就是说CAS是线程安全的。

CAS的应用

CAS中存储着3个操作数，内存值V、预期值A和要修改的新值B，当预期值A与内存值V相等时，将内存值V修改为新值B，否则进入循环，自旋。

CAS的底层原理

CAS通过调用JNI的代码实现的。JNI:Java Native Interface为JAVA本地调用，允许java调用其他语言。

而compareAndSwapInt就是借助C来调用CPU底层指令实现的。

下面从分析比较常用的CPU（intel x86）来解释CAS的实现原理。

CAS存在的问题

• ABA问题。

因为CAS需要在操作值的时候检查下值有没有发生变化，如果没有发生变化则更新，但是如果一个值原来是A，变成了B，又变成了A，那么使用CAS进行检查时会发现它的值没有发生变化，但是实际上却变化了。

ABA问题的解决思路就是使用版本号。在变量前面追加上版本号，每次变量更新的时候把版本号加一，那么A－B－A 就会变成1A-2B－3A。

从Java1.5开始JDK的atomic包里提供了一个类AtomicStampedReference来解决ABA问题。这个类的compareAndSet方法作用是首先检查当前引用是否等于预期引用，并且当前标志是否等于预期标志，如果全部相等，则以原子方式将该引用和该标志的值设置为给定的更新值。

• 循环时间长，开销大

自旋 ：在子线程中可以会出现循环多次的问题，因为其他线程可能将主内存的值又改了。但子线程还是拿到的是老的数据，就回出现再循环一次，就给CPU带来性能开销

频繁出现自旋，循环时间长，开销大（因为执行的是do-while，如果比较不成功则hi一直循环，最差的情况，就是某个线程一直取到的值和预期值不一样，这样就会无限循环下去）。

解决办法：如果JVM能支持处理器提供的pause指令（做延时）那么效率会有一定的提升，pause指令有两个作用，第一它可以延迟流水线执行指令（de-pipeline）,使CPU不会消耗过多的执行资源，延迟的时间取决于具体实现的版本，在一些处理器上延迟时间是零。第二它可以避免在退出循环的时候因内存顺序冲突（memory order violation）而引起CPU流水线被清空（CPU pipeline flush），从而提高CPU的执行效率。

• 只能保证一个共享变量的原子操作

当对一个共享变量执行操作时，我们可以使用循环CAS的方式来保证原子操作，但是对多个共享变量操作时，循环CAS就无法保证操作的原子性，这个时候就可以用锁，或者有一个取巧的办法，就是把多个共享变量合并成一个共享变量来操作。比如有两个共享变量i＝2,j=a，合并一下ij=2a，然后用CAS来操作ij。从Java1.5开始JDK提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性，你可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作。

参考文献

面试问题（java cas有什么优点和问题）

[不会CAS也敢来面试——CAS原理解析

java面试之CAS的理解

原文：https://www.cnblogs.com/beiyouycy/p/14607734.html