一、前言
今天花了點時間了解了一下JDK1.8中ConcurrentHashMap的實現，發現它實現的主要思想就是依賴於CAS機制。CAS機制是並發中比較重要的一個概念，所以今天這篇博客就來詳細介紹一下CAS機制以及Java中對CAS的適用。
二、正文
2.1 樂觀鎖與悲觀鎖
在講CAS之前，先來理解兩個概念，即樂觀鎖和悲觀鎖：
- 樂觀鎖：在並發下對數據進行修改時保持樂觀的態度，認為在自己修改數據的過程中，其他線程不會對同一個數據進行修改，所以不對數據加鎖，但是會在最終更新數據前，判斷一下這個數據有沒有被修改，若沒有被修改，才將它更新為自己修改的值；
- 悲觀鎖：在並發下對數據進行修改時保持悲觀的態度，認為在自己修改數據的過程中，其他線程也會對數據進行修改，所以在操作前會對數據加鎖，在操作完成后才將鎖釋放，而在釋放鎖之前，其他線程無法操作數據；
CAS其實就是樂觀鎖的一種實現方式，而悲觀鎖比較典型的就是Java中的synchronized。下面我就來詳細介紹一下CAS的相關概念。
2.2 什么是CAS？
CAS全稱compare and swap——比較並替換，它是並發條件下修改數據的一種機制，包含三個操作數：
- 需要修改的數據的內存地址（V）；
- 對這個數據的舊預期值（A）；
- 需要將它修改為的值（B）；
CAS的操作步驟如下：
- 修改前記錄數據的內存地址V；
- 讀取數據的當前的值，記錄為A；
- 修改數據的值變為B；
- 查看地址V下的值是否仍然為A，若為A，則用B替換它；若地址V下的值不為A，表示在自己修改的過程中，其他的線程對數據進行了修改，則不更新變量的值，而是重新從步驟2開始執行，這被稱為自旋；
通過以上四個步驟對內存中的數據進行修改，就可以保證數據修改的原子性。CAS是樂觀鎖的一種實現，所以這里介紹的步驟和樂觀鎖的定義差不多，還是很好理解的。
2.3 Java中CAS的使用
Java中大量使用的CAS，比如，在java.util.concurrent.atomic包下有很多的原子類，如AtomicInteger、AtomicBoolean......這些類提供對int、boolean等類型的原子操作，而底層就是通過CAS機制實現的。比如AtomicInteger類有一個實例方法，叫做incrementAndGet，這個方法就是將AtomicInteger對象記錄的值+1並返回，與i++類似。但是這是一個原子操作，不會像i++一樣，存在線程不一致問題，因為i++不是原子操作。比如如下代碼，最終一定能夠保證num的值為200：
// 聲明一個AtomicInteger對象
AtomicInteger num = new AtomicInteger(0);
// 線程1
new Thread(()->{
for (int i = 0; i < 100; i++) {
// num++
num.incrementAndGet();
}
}).start();
// 線程2
new Thread(()->{
for (int i = 0; i < 100; i++) {
// num++
num.incrementAndGet();
}
}).start();
Thread.sleep(1000);
System.out.println(num);
我們看看incrementAndGet方法的源碼：
public final int incrementAndGet() {
return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
}
這里使用了一個unsafe對象，而unsafe對象是什么呢？我們知道，Java並不能像C或C++一樣，直接操作內存，但是JVM為我們提供了一個后門，就是sun.misc.Unsafe類，這個類為我們實現了很多硬件級別的原子方法，當然，這些方法都是native方法，使用其他語言實現，而不是Java方法。而上面的另外一個變量valueOffset就是我們需要修改的變量在內存中的偏移量。也許上面這個方法並不能讓你感覺使用了CAS，那再看看下面這個方法：
public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}
compareAndSet是AtomicInteger的另一個方法，它的作用就是給定一個預期的舊值expect，以及需要更新為的值update，若當前變量的值是expect，就將其修改為update，否則不修改（這不就是CAS的思想嗎）。而它底層調用了unsafe對象的compareAndSwapInt方法，從這個名字可以看出，它的實現使用的就是CAS。compareAndSwapInt的三個參數valueOffset、expect以及update，剛好對應了CAS操作的三個操作數。
2.4 CAS機制的ABA問題
CAS機制雖然簡單，但是也存在一些缺陷，其中比較典型的就是ABA問題。什么是ABA問題，我簡單介紹一下：
- 假設有三個線程
T1、T2和T3，它們都要對一個變量num的值進行修改，且使用的都是CAS機制進行同步，假設num的初始值為100； - 線程
T1首先讀取了num的值，將它記錄為舊預期A1 = 100，然后它想要將num的值修改為80，記錄B2 = 80，在執行num = B2前，線程發生了切換，切換到線程T2； - 假設
T2毫無阻礙地修改了num的值，將它從100修改為80，然后線程再度切換，T3開始執行； T3也是毫無阻礙地修改了num，將它從80重新修改為100，線程再次切換回T1；T1從上次運行的斷點恢復，也就是准備用B1的值覆蓋num，但是由於CAS機制，它需要先檢測num的值是否等於它記錄的預期值A1，然后它發現A1 = num = 100，認為num沒有被修改過，於是用B1覆蓋了num；
上面這種情況就是CAS的ABA問題：一個變量被修改，但是又被改了回去，在CAS機制中，將無法察覺這種錯誤的現象。在線程T1被中斷的過程中，num的值被修改，按照CAS的原則，T1應該放棄對num的修改，從頭開始執行。有人可能想問，修改回去之后，不就和沒修改一樣嗎，有什么影響呢？其實我也不知道有什么影響.....找遍網上的博客，舉的例子都是在扯淡，誤人子弟（看的最多的例子就是那個銀行取錢的，一個人亂寫，其他人亂copy，真心服了）。如果有知道ABA問題影響的朋友，麻煩告知一下。
對於ABA問題的解決方案也非常簡單，那就是再添加一個變量——版本號。每個變量都加上一個版本號，在它被修改時，也同步修改版本號，而CAS操作在修改前記錄版本號，若在最后更新變量時，記錄的版本號與當前版本號一致，表示沒有被修改，可直接更新。
2.5 CAS的優缺點以及適用場景
（1）優點
前面也提到過，CAS是一種樂觀鎖，其優點就是不需要加鎖就能進行原子操作；
（2）缺點
CAS的缺點主有兩點：
CAS機制只能用在對某一個變量進行原子操作，無法用來保證多個變量或語句的原子性（synchronized可以）；- 假設在修改數據的過程中經常與其他線程修改沖突，將導致需要多次的重新嘗試；
（3）適用場景
由上面分析的優缺點可以看出，CAS適用於並發沖突發生頻率較低的場合，而對於並發沖突較頻繁的場合，CAS由於不斷重試，反倒會降低效率。
三、總結
CAS是一種在並發下實現原子操作的機制，但是只能用來保證一個變量的原子性，適用於並發沖突頻率較低的場合。
四、參考
推薦兩篇描述CAS的博客，這兩篇博客通過漫畫對CAS進行了非常詳細的描述：