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详解 CAS 及其引发的三个问题

本文主要简介一下CAS原理及其引发的三个问题：

1.ABA问题; 2.自旋锁开销及jdk8解决方案; 3.单对象操作及解决。

1. CAS简介

在多线程编程的时候，为了保证多个线程对一个对象可以安全进行访问时,我们需要加同步锁synchronized,保证对象的在使用时的正确性，synchronized就是一种独占锁，它会导致所有需要此锁的线程挂起，等待锁的释放。

加锁会导致一下问题：

加多线程竞争下，加锁和释放锁会导致较多的上下文切换，引起性能问题。
多线程可以导致死锁的问题。
多线程持有的锁会导致其他需要此锁的线程挂起。

而乐观锁却是不加锁，那不加锁如何确保某一变量的操作没有被其他线程修改过？

这里就需要CAS操作（Compare And Swap）来实现。

CAS 操作包含三个操作数 —— 内存位置（V）、预期原值（A）和新值(B)。如果内存地址里面的值和A的值是一样的，那么就将内存里面的值更新成B。CAS是通过无限循环来获取数据的，若果在第一轮循环中，a线程获取地址里面的值被b线程修改了，那么a线程需要自旋，到下次循环才有可能机会执行。

在JVM中的CAS操作就是基于处理器的CMPXCHG汇编指令实现的，因此，JVM中的CAS的原子性是处理器保障的。

这里我们可以看一下JAVA的原子类AtomicLong.getAndIncrement()的实现，来理解一下CAS这一乐观锁（JDK 1.8）。

public final long getAndIncrement() {

return unsafe.getAndAddLong(this, valueOffset, 1L);

}

接着看一下 Unsafe.getAndAddLong()的实现：

public final long getAndAddLong(Object var1, long var2, long var4) {

long var6;

do {

var6 = this.getLongVolatile(var1, var2);

} while(!this.compareAndSwapLong(var1, var2, var6, var6 + var4));

return var6;

}

这里我们可以看到AtomicLong.getAndIncrement()的实现就是通过CAS循环操作的实现，只有期望值与真实值相同情况下，CAS操作才会成功执行，退出循环，如果失败则继续自旋，直到成功。

2. CAS引发的ABA问题

ABA问题是指在CAS操作时，其他线程将变量值A改为了B，但是又被改回了A，等到本线程使用期望值A与当前变量进行比较时，发现变量A没有变，于是CAS就将A值进行了交换操作，但是实际上该值已经被其他线程改变过，这与乐观锁的设计思想不符合。ABA问题的解决思路是，每次变量更新的时候把变量的版本号加1，那么A-B-A就会变成A1-B2-A3，只要变量被某一线程修改过，改变量对应的版本号就会发生递增变化，从而解决了ABA问题。在JDK的java.util.concurrent.atomic包中提供了AtomicStampedReference来解决ABA问题，该类的compareAndSet是该类的核心方法，实现如下：

public boolean compareAndSet(V expectedReference,

V newReference,

int expectedStamp,

int newStamp) {

Pair<V> current = pair;

return

expectedReference == current.reference &&

expectedStamp == current.stamp &&

((newReference == current.reference &&

newStamp == current.stamp) ||

casPair(current, Pair.of(newReference, newStamp)));

}