JavaCAS
C A S作为并发编程必不可少的基础知识，面试时C A S也是个高频考点，所以说C A S是必知必会，一起来深入理解C A S。
CAS - 图1

CAS基本概念

C A S（compareAndSwap）也叫比较交换，是一种无锁原子算法，映射到操作系统就是一条cmpxchg硬件汇编指令（保证原子性），其作用是让C P U将内存值更新为新值，但是有个条件，内存值必须与期望值相同，并且C A S操作无需用户态与内核态切换，直接在用户态对内存进行读写操作（意味着不会阻塞/线程上下文切换）。
它包含3个参数C A S（V，E，N），V表示待更新的内存值，E表示预期值，N表示新值，当 V值等于E值时，才会将V值更新成N值，如果V值和E值不等，不做更新，这就是一次C A S的操作。
CAS - 图2
简单说，C A S需要额外给出一个期望值，也就是认为这个变量现在应该是什么样子的，如果变量不是想象的那样，说明它已经被别人修改过了，只需要重新读取，设置新期望值，再次尝试修改就好了。

CAS如何保证原子性

原子性是指一个或者多个操作在C P U执行的过程中不被中断的特性，要么执行，要不执行，不能执行到一半（不可被中断的一个或一系列操作）。
为了保证C A S的原子性，C P U提供了下面两种方式

  • 总线锁定

  • 缓存锁定

    总线锁定

    总线（B U S）是计算机组件间的传输数据方式，也就是说C P U与其他组件连接传输数据，就是靠总线完成的，比如C P U对内存的读写。
    CAS - 图3
    总线锁定是指C P U使用了总线锁，所谓总线锁就是使用C P U提供的LOCK#信号，当C P U在总线上输出LOCK#信号时，其他C P U的总线请求将被阻塞。
    CAS - 图4

    缓存锁定

    总线锁定方式虽然保证了原子性，但是在锁定期间，会导致大量阻塞，增加系统的性能开销，所以现代C P U为了提升性能，通过锁定范围缩小的思想设计出了缓存行锁定（缓存行是C P U高速缓存存储的最小单位）。
    所谓缓存锁定是指C P U对缓存行进行锁定，当缓存行中的共享变量回写到内存时，其他C P U会通过总线嗅探机制感知该共享变量是否发生变化，如果发生变化，让自己对应的共享变量缓存行失效，重新从内存读取最新的数据，缓存锁定是基于缓存一致性机制来实现的，因为缓存一致性机制会阻止两个以上C P U同时修改同一个共享变量（现代C P U基本都支持和使用缓存锁定机制）。

    CAS的问题

    C A S和锁都解决了原子性问题，和锁相比没有阻塞、线程上下文切换、死锁，所以C A S要比锁拥有更优越的性能，但是C A S同样存在缺点。
    C A S的问题如下

  • 只能保证一个共享变量的原子操作

  • 自旋时间太长（建立在自旋锁的基础上）

  • ABA问题

    只能保证一个共享变量原子操作

    C A S只能针对一个共享变量使用，如果多个共享变量就只能使用锁了，当然如果有办法把多个变量整成一个变量，利用C A S也不错，例如读写锁中state的高低位。

    自旋时间太长

    当一个线程获取锁时失败，不进行阻塞挂起，而是间隔一段时间再次尝试获取，直到成功为止，这种循环获取的机制被称为自旋锁(spinlock)。
    自旋锁好处是，持有锁的线程在短时间内释放锁，那些等待竞争锁的线程就不需进入阻塞状态（无需线程上下文切换/无需用户态与内核态切换），它们只需要等一等（自旋），等到持有锁的线程释放锁之后即可获取，这样就避免了用户态和内核态的切换消耗。
    自旋锁坏处显而易见，线程在长时间内持有锁，等待竞争锁的线程一直自旋，即CPU一直空转，资源浪费在毫无意义的地方，所以一般会限制自旋次数。
    最后来说自旋锁的实现，实现自旋锁可以基于C A S实现，先定义lockValue对象默认值1，1代表锁资源空闲，0代表锁资源被占用，代码如下 ```java public class SpinLock {

    //lockValue 默认值1 private AtomicInteger lockValue = new AtomicInteger(1);

    //自旋获取锁 public void lock(){

    1.   // 循环检测尝试获取锁
    2.   while (!tryLock()){
    3.       // 空转
    4.   }

    }

    //获取锁 public boolean tryLock(){

    1.   // 期望值1，更新值0，更新成功返回true，更新失败返回false
    2.   return lockValue.compareAndSet(1,0);

    }

    //释放锁 public void unLock(){

    1.   if(!lockValue.compareAndSet(1,0)){
    2.       throw new RuntimeException("释放锁失败");
    3.   }

    }

} `` 上面定义了AtomicInteger类型的lockValue变量，AtomicInteger是Java基于C A S实现的Integer原子操作类，还定义了3个函数lock、tryLock、unLock`
tryLock函数-获取锁

  • 期望值1，更新值0
  • C A S更新
  • 如果期望值与**lockValue**值相等，则**lockValue**值更新为0，返回true，否则执行下面逻辑
  • 如果期望值与**lockValue**值不相等，不做任何更新，返回false

unLock函数-释放锁

  • 期望值0，更新值1
  • C A S更新
  • 如果期望值与**lockValue**值相等，则**lockValue**值更新为1，返回true，否则执行下面逻辑
  • 如果期望值与**lockValue**值不相等，不做任何更新，返回false

lock函数-自旋获取锁

  • 执行**tryLock**函数，返回true停止，否则一直循环

CAS - 图5
从上图可以看出，只有tryLock成功的线程（把**lockValue**更新为0），才会执行代码块，其他线程个tryLock自旋等待lockValue被更新成1，tryLock成功的线程执行unLock（把**lockValue**更新为1），自旋的线程才会tryLock成功。

ABA问题

C A S需要检查待更新的内存值有没有被修改，如果没有则更新，但是存在这样一种情况，如果一个值原来是A，变成了B，然后又变成了A，在C A S检查的时候会发现没有被修改。
假设有两个线程，线程1读取到内存值A，线程1时间片用完，切换到线程2，线程2也读取到了内存值A，并把它修改为B值，然后再把B值还原到A值，简单说，修改次序是A->B->A，接着线程1恢复运行，它发现内存值还是A，然后执行C A S操作，这就是著名的ABA问题，但是好像又看不出什么问题。
只是简单的数据结构，确实不会有什么问题，如果是复杂的数据结构可能就会有问题了（使用AtomicReference可以把C A S使用在对象上），以链表数据结构为例，两个线程通过C A S去删除头节点，假设现在链表有A->B节点
CAS - 图6

  • 线程1删除A节点，B节点成为头节点，正要执行C A S(A,A,B)时，时间片用完，切换到线程2
  • 线程2删除A、B节点
  • 线程2加入C、A节点，链表节点变成A->C
  • 线程1重新获取时间片，执行C A S(A,A,B)
  • 丢失C节点

要解决A B A问题也非常简单，只要追加版本号即可，每次改变时加1，即A —> B —> A，变成1A —> 2B —> 3A，在Java中提供了AtomicStampedRdference可以实现这个方案（面试只要问了C A S，就一定会问ABA，这块一定要搞明白）。