6.3 无锁并发原理-CAS与volatile

一、CAS操作

无锁实现多线程并发的原理即为CAS操作，也可以称为“乐观锁”。其中的关键是compareAndSet，它的简称是 CAS（也可以称为Compare And Swap），它必须是原子操作。CAS翻译为：比较并设置/比较并交换

    public void withdraw(Integer amout) {
        while(true){
            /*
            prev是取出的余额值，也是执行cas操作时的预期值，如果从内存中取出的最新值与之前拿出来的预期值不同，
            则cas失败
            */
            int prev=balance.get();
            //要修改后的余额
            int next=prev-amout;
            //真正修改
            if(balance.compareAndSet(prev,next)){
                break;
            }//修改前和修改后的值传入
        }
    }
}

其中 prev 是共享变量-账户余额中获取的值，也是CAS操作时的预期值，next 是对共享变量-账户余额的修改值，compareAndSet操作即传入 预期值+要修改的值 两个变量。

CAS操作原理：

如下过程所示，当线程1想要对共享变量的值修改时，cas操作传入：cas(100,90)，这时要再次访问一次共享变量的最新值，如果发现最新值和传入的预期值（即100）不同，那么此次cas操作则失败，经过while循环等待下次的cas更新。最下边的cas操作传入：cas(90,80)，如果查询到最新值是90，说明此次可以修改，那么此次cas操作成功，break退出循环，方法运行结束。

注意

CAS的底层是 lock cmpxchg 指令（X86架构），在单核CPU和多核CPU下都能够保证【比较-交换】的原子性，所以CAS是原子操作，不用担心线程安全问题。所以无锁实现多线程并发实际是线程安全的，因为本例中CAS前均为读操作，关键的对共享变量的写操作还被封装在了CAS操作中，而CAS是原子性的，所以线程安全。

二、CAS与volatile

CAS必须借助volatile才能读取到共享变量的最新值来实现【比较并交换】的效果，因为如果共享变量不加volatile修饰，那么CAS操作时即有可能读不到最新值，那么CAS操作就会变得无意义。

无锁实现多线程并发的例子中，AtomicInteger类内部将值自动转成 volatile 修饰的变量：

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 6214790243416807050L;
    // setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updates
    private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
    private static final long valueOffset;
    static {
        try {
            valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
                (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
        } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
    }
    private volatile int value;
    //....各种方法
}

总结：

所以无锁实现并发关键在于两个点：

• 共享变量使用原子变量/原子引用修饰，以保证对共享变量访问的原子性，从而使得线程安全。
• CAS操作与volatile结合，以保证多线程运行结果的正确性

综上，无锁并发，共享变量用原子变量/原子引用修饰即可，至于方法定义：

• 如果是原子变量，对其操作调用自带的基础方法（如getAndAdd等）
• 如果是原子引用，对其操作的方法采用原始CAS操作自定义实现即可