Java原子类的实现原理 && CAS的使用以及缺陷

CAS

CAS（Compare-And-Swap）是一种原子操作，广泛用于并发编程中实现无锁（lock-free）数据结构，它的核心功能是比较并交换。

boolean CAS(address, old_value, new_value) {
	 if (&address == old_value) {
		 &address = new_value;
		 return true;
	 }
	 return false;
}

1. 读取阶段： CAS操作会原子性地读取内存中的当前值（称为expected或old_value），同时记录该内存位置的值（这个操作是原子的，不会被中断）。
2. 比较阶段： 在准备写入新值前，会检查当前内存值&address内部的值，是否仍然等于之前读取的old_value。
   • 如果内存值未变（等于old_value），说明内存的值在这个过程中并没有被修改，则进入写入阶段。
   • 如果内存值已变（不等于old_value），说明内存的值在这个过程中被修改过了，则立即返回false（表示失败）。
3. 写入阶段（仅当比较成功时）： 原子性地将新值（new_value）写入内存，并返回true（表示成功）。
4. 返回值含义：
   • true：内存值未被其他线程修改，且新值写入成功。
   • false：内存值已被其他线程修改，操作失败（此时寄存器中的old_value已过时）。

原子类的实现

既然这个操作是原子性的，那么他对于我们有什么用呢？它最大的作用就是来实现原子类。

上述我们提到过，他可以进行比较和交换操作，同时我们可以用它来判定他是否有被修改过，那我们可以使用这个方式来进行多线程下的增加数值操作：

while ( CAS(value, oldValue, oldValue+1) != true) {
 	oldValue = value;
 }

在高并发状态下，如果这个值被多个线程同时修改就会产生线程安全问题，最明显的现象就是这个值和我们理想的结果并不一样。

而如果我们使用CAS来进行这个操作，他会根据你的当前内存真实值和之前识别的旧值oldValue是否一致，来判断你的真实值有没有被修改过，而如果是被修改过后的，那么我们的oldvalue也需要进行相应更新，因为我们要交换的值是根据oldvalue来进行判断的。

这样的操作可以保证每次增加的值都是“有效”的，而不会造成线程安全问题。

原子类的使用

原子类的增加机理就是通过上述方式实现的，使用原子类的目的是避免加锁，在Java中提供了一些原子类的封装。

它们被封装在java.util.concurrent.atomic下（非完整版）：

他们的使用方法很简单，例如AtomicInteger增减方法

基于cas实现自旋锁

基于 CAS 实现更灵活的锁, 获取到更多的控制权.。

伪代码：

public class SpinLock {
	 private Thread owner = null;
	 public void lock(){
		 while(!CAS(this.owner, null, Thread.currentThread())){
		 }
	 }
	 public void unlock (){
	 	this.owner = null;
	 }
}

1. 通过 CAS 看当前锁是否被某个线程持有.
2. 如果这个锁已经被别的线程持有, 那么就⾃旋等待.
3. 如果这个锁没有被别的线程持有, 那么就把 owner 设为当前尝试加锁的线程.

CAS缺陷

ABA问题

ABA问题是面试时的常见问题，我们知道CAS的判定机理是判断之前读取到的值和内存里面真实的值进行比较，而如果此时出现一个特殊的情况，他在将A变成B后，又将B变回了A，这时它的判断就会出现误判，而这种情况我们就称之为ABA问题。

虽然他在一般情况下不会对我们造成危害，但是他在特殊情景下会对我们造成危害。

例如： 你的名字叫做小明，今天来到银行取取钱，但是你今天手抖了在取钱的时候多按了一次，还好银行是使用CAS来进行增减（假设！），它在第二次扣款时发现内存值和oldvalue值是不一致的，所以仅扣除了一次。

你不由得感叹CAS的伟大。

第二天，你又来取钱了，你今天又手抖了一次，取了两次100元，原本CAS是可以避免这个情况的，但是今天你的朋友此时此刻“恰巧”给你转了100元，使你的金额又变回了原样，CAS在第二次判断的时候呢发现你的钱没有变化，又给你扣了一次，这时你发现你只取出来100但是实际上少了200。

你此时想对CAS说mmp了。

如何避免？

我们知道ABA问题是由于数值又改变回来导致的，那么我们可以设置一个只增/减的值来当做判断依据，例如设置一个版本号，每一次进行更新的时候+1。

此时你可能想到时间这个单位，他是只增的，但是我们并不建议使用这个，因为时间会出现"润秒"事件，感兴趣的可以自行了解。

感谢各位的观看Thanks♪(･ω･)ﾉ，如果觉得满意的话留个关注再走吧。