Java中CAS原理分析(volatile和synchronized淺析)

CAS是什麼？

CAS英文解釋是比較和交換，是cpu底層的源語，是解決共享變量原子性實作方案，它定義了三個變量，記憶體位址值對應V，期待值E和要修改的值U，如下圖所示，這些變量都是在高速緩存中的，如果兩個線程A，B分别通過cas方式同時修改共享變量，假設當A線程先擷取時間片，如果發現V的值和E相等就将主記憶體值更新為U，如果不相等說明線程B線上程A更新之前已經成功更新過，線程A會失敗重試，此時根據緩存一緻性協定，線程A的本地副本會失效，需要從主記憶體再同步最新的變量到本地記憶體副本，在Java中通過調用UnSafe的compareAndSet類似方式調用，底層是c，反編譯後作業系統指令是cmpxchg指令。

保證i++原子性

你一定會有一個疑問，被 volatile 修飾的變量i，i++為什麼會有線程安全問題呢，也就是原子性的問題，我們還是舉一個經典的i++案例一步步分析吧！我們知道在多線程情況下volatile保證了共享變量的可見性，順序行，但唯獨不能保證原子性，原因是i++是一個複合操作，大緻可以分成3步，1.先從主記憶體拿到最新的i值，2.将i加1這個操作儲存到操作數棧，3.從棧中取出i加1的值寫回到主記憶體。OK，當線程AB同時執行i++操作時，比如線程A先擷取時間片，執行完第2步，這是線程A還未執行完，時間片配置設定給線程B，B順利執行完所有操作後并同步了主記憶體，假設我們i的初始值是1，那麼此時主記憶體值是2，因為線程B執行完畢，cpu時間片又回到線程A手上，做第3步操作，此時同步到主記憶體的值還是2，看，線程A，B各做了一次加1的操作，但最終結果可能是2，cas的作用就來了，他能保證i++操作的原子性，為什麼能保證原子性呢？cas可以把上面三個操作合并成一個操作，是原子的。

有什麼好處？

大家都知道解決多線程安全需要用到鎖的，可以用 synchronized 來解決，但是synchronized也有它的劣勢，最主要是它是阻塞的，阻塞會有什麼問題？性能啊，這是計算機人不能忍的，頻繁核心外核切換，會嚴重浪費系統資源，是以就提了cas這個樂觀鎖概念，它是非阻塞的，作業系統不用在核心态與使用者态來回切換，相當于用while循環方式擷取鎖，在性能上有一定提升。即使這樣，也會有一定問題，下面我們來看看。

有什麼問題？

1.ABA問題。

這個案例比較簡單，線程A把共享變量i，從1變成2，再變成1，線程B想把i變成2，本來應該是不會成功，因為即時變量i現在是1，但是它的狀态變化了，他的解決方案是版本号。相當于修改成功一次版本号增加1，就可以解決了，曾經被面試官問到一個問題，cas是線程安全的嗎？答案不是線程安全的。

2.自旋時間過長。

如果一個線程拿到鎖後，一直不釋放，其他線程就隻能一直循環等待。

3.隻能保證一個共享變量的原子性。

像Automic包下面的基本上都隻能保證一個變量的原子性。

JUC包下面使用！

可能有些童鞋看JDK源碼會比較糾結一個點， 發現volatile關鍵字一般都會和cas連用，如果不要volatile會怎麼樣呢 ？cas本身隻作用于方法，cas對共享變量沒有限制，如果不對共享變量做volatile修飾，是不可見的，不能夠保證共享變量的實效性，需要等待共享變量主動同步到主記憶體，這是需要花時間的，效率更低下，所有在JUC并發包裡一直可以看到這樣的 volatile關鍵字一般都會和cas 組合。

總結

這篇文章，我們先引出了cas概念，并且說明了它的優缺點，做了案例介紹，簡單的和synchronized關鍵字做了比較，最後，深入的說明了 volatile關鍵字 和 cas連用的效率， 這是我在深入思考後得到的結論，分享給大家。