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什么是CAS

CAS 简介

CAS 其实是我们面试中的常客,因为它是原子类的底层原理,同时也是乐观锁的原理,所以当你去面试的时候,经常会遇到这样的问题“你知道哪些类型的锁”?你可能会回答“悲观锁和乐观锁”,那么下一个问题很有可能是问乐观锁的原理,也就是和 CAS 相关的问题,当然也有可能会继续深入问你 CAS 的应用场景或者是缺点等问题

首先我们来看一下 CAS 是什么,它的英文全称是 Compare-And-Swap,中文叫做“比较并交换”,它是一种思想、一种算法。

在多线程的情况下,各个代码的执行顺序是不能确定的,所以为了保证并发安全,我们可以使用互斥锁。而 CAS 的特点是避免使用互斥锁,当多个线程同时使用 CAS 更新同一个变量时,只有其中一个线程能够操作成功,而其他线程都会更新失败。不过和同步互斥锁不同的是,更新失败的线程并不会被阻塞,而是被告知这次由于竞争而导致的操作失败,但还可以再次尝试。

CAS 被广泛应用在并发编程领域中,以实现那些不会被打断的数据交换操作,从而就实现了无锁的线程安全。

CAS 的思路

在大多数处理器的指令中,都会实现 CAS 相关的指令,这一条指令就可以完成“比较并交换”的操作,也正是由于这是一条(而不是多条)CPU 指令,所以 CAS 相关的指令是具备原子性的,这个组合操作在执行期间不会被打断,这样就能保证并发安全。由于这个原子性是由 CPU 保证的,所以无需我们程序员来操心。

CAS 有三个操作数:内存值 V、预期值 A、要修改的值 B。CAS 最核心的思路就是,仅当预期值 A 和当前的内存值 V 相同时,才将内存值修改为 B

我们对此展开描述一下:CAS 会提前假定当前内存值 V 应该等于值 A,而值 A 往往是之前读取到当时的内存值 V。在执行 CAS 时,如果发现当前的内存值 V 恰好是值 A 的话,那 CAS 就会把内存值 V 改成值 B,而值 B 往往是在拿到值 A 后,在值 A 的基础上经过计算而得到的。如果执行 CAS 时发现此时内存值 V 不等于值 A,则说明在刚才计算 B 的期间内,内存值已经被其他线程修改过了,那么本次 CAS 就不应该再修改了,可以避免多人同时修改导致出错。这就是 CAS 的主要思路和流程。

JDK 正是利用了这些 CAS 指令,可以实现并发的数据结构,比如 AtomicInteger 等原子类。

利用 CAS 实现的无锁算法,就像我们谈判的时候,用一种非常乐观的方式去协商,彼此之间很友好,这次没谈成,还可以重试。CAS 的思路和之前的互斥锁是两种完全不同的思路,如果是互斥锁,不存在协商机制,大家都会尝试抢占资源,如果抢到了,在操作完成前,会把这个资源牢牢的攥在自己的手里。当然,利用 CAS 和利用互斥锁,都可以保证并发安全,它们是实现同一目标的不同手段。

总结

CAS,它的核心思想是通过将内存中的值与指定数据进行比较,当这两个数值一样时,才将内存中的数据替换为新的值。