Java 比较和交换示例 – CAS 算法 - 《HowToDoInJava 中文系列教程》

1. 乐观锁和悲观锁
2. 比较和交换算法
3. Java 比较和交换示例

原文： https://howtodoinjava.com/java/multi-threading/compare-and-swap-cas-algorithm/

Java 5 中最好的补充之一是AtomicInteger，AtomicLong等类中支持的原子操作。这些类可帮助您将复杂的（不必要的）多线程用于一些基本操作的代码，例如递增或递减在多个线程之间共享的值。这些类在内部依赖于名为 CAS（比较和交换）的算法。在本文中，我将详细讨论这个概念。

1. 乐观锁和悲观锁

传统的锁定机制，例如在 Java 中使用同步的关键字的被称为锁定或多线程的悲观技术。它要求您首先保证在特定操作之间没有其他线程会干扰（即锁定对象），然后仅允许您访问任何实例/方法。

这就像说“请先关上门；否则，其他骗子会进来重新整理您的东西。”

尽管上述方法是安全的并且确实有效，但是在性能上对您的应用程序造成了重大损失。原因很简单，等待线程无法做任何事情，除非它们也有机会执行受保护的操作。

还有一种方法在性能上更有效，并且本质上是乐观的。通过这种方法，您可以进行更新，希望可以完成更新而不会受到干扰。此方法依靠冲突检测来确定在更新期间是否存在来自其他方的干扰，在这种情况下，操作将失败并且可以重试（或不重试）。

乐观的方法就像老话所说：“获得宽容比得到许可更容易”，这里的“轻松”意味着“更有效率”。

比较并交换是这种乐观方法的一个很好的例子，我们将在下面讨论。

2. 比较和交换算法

该算法将存储位置的内容与给定值进行比较，并且只有它们相同时，才会将该存储位置的内容修改为给定的新值。这是作为单个原子操作完成的。原子性保证了根据最新信息计算新值；如果与此同时值已由另一个线程更新，则写入将失败。操作的结果必须表明它是否执行了替换；这可以通过简单的布尔响应（此变量通常称为“比较设置”）来完成，也可以通过返回从内存位置读取的值（而不是写入该值）来完成。

CAS 操作有 3 个参数：

必须替换值的存储位置V
线程上次读取的旧值A
应该写在V上的新值B

CAS 说：“我认为V应该具有值A；如果可以，则将B放在此处，否则不要更改它，但要告诉我我错了。” CAS 是一种乐观技术，它希望成功进行更新，并且自从上次检查变量以来，如果另一个线程更新了该变量，则可以检测到失败。

3. Java 比较和交换示例

让我们通过一个例子来了解整个过程。假设V是存储值“10”的存储位置。有多个线程想要递增此值并将递增的值用于其他操作，这是一种非常实际的方案。让我们分步介绍整个 CAS 操作：

1）线程 1 和 2 想要增加它，它们都读取值并将其增加到 11。

V = 10, A = 0, B = 0

2）现在线程 1 首先出现，并将V与最后读取的值进行比较：

V = 10, A = 10, B = 11

if     A = V
   V = B
 else
   operation failed
   return V

显然，V的值将被覆盖为 11，即操作成功。

3）线程 2 到来并尝试与线程 1 相同的操作

V = 11, A = 10, B = 11

if     A = V
   V = B
 else
   operation failed
   return V

4）在这种情况下，V不等于A，因此不替换值，并且返回V的当前值即 11。现在线程 2，再次使用以下值重试此操作：

V = 11, A = 11, B = 12

而这一次，条件得到满足，线程 2 返回增量值 12。

总而言之，当多个线程尝试使用 CAS 同时更新同一变量时，一个将获胜并更新该变量的值，而其余则将丢失。但是失败者并不会因为线程中断而受到惩罚。他们可以自由地重试该操作，或者什么也不做。

这就是与 Java 支持的原子操作有关的这个简单但重要的概念的全部。

祝您学习愉快！