Java 中 CAS 原理分析 (volatile 和 synchronized 浅析)

CAS是什么？

CAS英文解释是比较和交换，是cpu底层的源语，是解决共享变量原子性实现方案，它定义了三个变量，内存地址值对应V，期待值E和要修改的值U，如下图所示，这些变量都是在高速缓存中的，如果两个线程A，B分别通过cas方式同时修改共享变量，假设当A线程先获取时间片，如果发现V的值和E相等就将主内存值更新为U，如果不相等说明线程B在线程A更新之前已经成功更新过，线程A会失败重试，此时根据缓存一致性协议，线程A的本地副本会失效，需要从主内存再同步最新的变量到本地内存副本，在Java中通过调用UnSafe的compareAndSet类似方式调用，底层是c，反编译后操作系统指令是cmpxchg指令。



image.png



保证i++原子性

你一定会有一个疑问，被volatile修饰的变量i，i++为什么会有线程安全问题呢，也就是原子性的问题，我们还是举一个经典的i++案例一步步分析吧！我们知道在多线程情况下volatile保证了共享变量的可见性，顺序行，但唯独不能保证原子性，原因是i++是一个复合操作，大致可以分成3步，1.先从主内存拿到最新的i值，2.将i加1这个操作保存到操作数栈，3.从栈中取出i加1的值写回到主内存。OK，当线程AB同时执行i++操作时，比如线程A先获取时间片，执行完第2步，这是线程A还未执行完，时间片分配给线程B，B顺利执行完所有操作后并同步了主内存，假设我们i的初始值是1，那么此时主内存值是2，因为线程B执行完毕，cpu时间片又回到线程A手上，做第3步操作，此时同步到主内存的值还是2，看，线程A，B各做了一次加1的操作，但最终结果可能是2，cas的作用就来了，他能保证i++操作的原子性，为什么能保证原子性呢？cas可以把上面三个操作合并成一个操作，是原子的。



有什么好处？

大家都知道解决多线程安全需要用到锁的，可以用synchronized来解决，但是synchronized也有它的劣势，最主要是它是阻塞的，阻塞会有什么问题？性能啊，这是计算机人不能忍的，频繁内核外核切换，会严重浪费系统资源，所以就提了cas这个乐观锁概念，它是非阻塞的，操作系统不用在内核态与用户态来回切换，相当于用while循环方式获取锁，在性能上有一定提升。即使这样，也会有一定问题，下面我们来看看。



有什么问题？

1.ABA问题。

这个案例比较简单，线程A把共享变量i，从1变成2，再变成1，线程B想把i变成2，本来应该是不会成功，因为即时变量i现在是1，但是它的状态变化了，他的解决方案是版本号。相当于修改成功一次版本号增加1，就可以解决了，曾经被面试官问到一个问题，cas是线程安全的吗？答案不是线程安全的。

2.自旋时间过长。

如果一个线程拿到锁后，一直不释放，其他线程就只能一直循环等待。

3.只能保证一个共享变量的原子性。

像Automic包下面的基本上都只能保证一个变量的原子性。



JUC包下面使用！

可能有些童鞋看JDK源码会比较纠结一个点，发现volatile关键字一般都会和cas连用，如果不要volatile会怎么样呢？cas本身只作用于方法，cas对共享变量没有约束，如果不对共享变量做volatile修饰，是不可见的，不能够保证共享变量的实效性，需要等待共享变量主动同步到主内存，这是需要花时间的，效率更低下，所有在JUC并发包里一直可以看到这样的volatile关键字一般都会和cas组合。



总结

这篇文章，我们先引出了cas概念，并且说明了它的优缺点，做了案例介绍，简单的和synchronized关键字做了比较，最后，深入的说明了volatile关键字和cas连用的效率，这是我在深入思考后得到的结论，分享给大家，文章有一定阅读门槛，如果有想搞清楚童鞋，可以1v1私聊讨论交流。希望大家喜欢。点赞哦！

我是叫练，边叫边练，欢迎点赞和评论。