对CAS机制的理解（一）

先看一段代码：启动两个线程，每个线程中让静态变量count循环累加100次。

public class CountTest {
    public static int count = 0;

    public static void main(String[] args) {
        //开启两个线程
        for(int i = 0; i < 2; i++){
            new Thread(
                    new Runnable(){
                        public void run(){
                            try{
                                Thread.sleep(10);
                            }
                            catch(InterruptedException e){
                                e.printStackTrace();
                            }
                            //每个线程中让count自增100次
                            for(int j = 0; j < 100; j++){
                                    count++;
                            }
                        }
                    }).start();
        }
        try{
            Thread.sleep(2000);
        }
        catch(InterruptedException e){
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("count=" + count);
    }

}

几次不同的运行结果：

     
因为这段代码不是线程安全，所以最终的自增结果很可能会小于200.
方法一：加上synchronized同步锁

public class CountTest {
    public static int count = 0;

    public static void main(String[] args) {
        //开启两个线程
        for(int i = 0; i < 2; i++){
            new Thread(
                    new Runnable(){
                        public void run(){
                            try{
                                Thread.sleep(10);
                            }
                            catch(InterruptedException e){
                                e.printStackTrace();
                            }
                            //每个线程中让count自增100次
                            for(int j = 0; j < 100; j++){
                                synchronized(CountTest.class){
                                count++;
                                }
                            }
                        }
                    }).start();
        }
        try{
            Thread.sleep(2000);
        }
        catch(InterruptedException e){
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("count=" + count);
    }
}

（通过使用"类名.class"这个方式返回一个Class类型的对象，即获取一个类的“类对象”）
加了同步锁之后，count自增的操作变成了原子性操作，所以最终的输出一定是count=200，代码实现了线程安全。
synchronized虽然保证了线程安全，但在某些情况下，却不是一个最优选择。其关键在于性能问题。
synchronized取得的锁都是对象锁，而不是把一段代码或方法当做锁。因此在多线程访问同一个对象时，哪个线程先执行synchronized关键字的方法，哪个线程就持有该方法所属对象的锁lock，其他线程只能呈等待状态。
Synchronized关键字会让没有得到锁资源的线程进入BLOCKED状态，而后在争夺到锁资源后恢复为RUNNABLE状态，这个过程中涉及到操作系统用户模式和内核模式的转换，代价比较高。
尽管Java1.6为Synchronized做了优化，增加了从偏向锁到轻量级锁再到重量级锁的过度，但是在最终转变为重量级锁之后，性能仍然较低。

方法二：使用原子操作类

所谓原子操作类，指的是java.util.concurrent.atomic包下，一系列以Atomic开头的包装类。例如AtomicBoolean，AtomicInteger，AtomicLong。它们分别用于Boolean，Integer，Long类型的原子性操作。

在代码中引入AtomicInteger类：

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class CountTest {
    public static AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);

    public static void main(String[] args) {
        //开启两个线程
        for(int i = 0; i < 2; i++){
            new Thread(
                    new Runnable(){
                        public void run(){
                            try{
                                Thread.sleep(10);
                            }
                            catch(InterruptedException e){
                                e.printStackTrace();
                            }
                            //每个线程中让count自增100次
                            for(int j = 0; j < 100; j++){
                            count.incrementAndGet();    
                            }
                        }
                    }).start();
        }
        try{
            Thread.sleep(2000);
        }
        catch(InterruptedException e){
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("count=" + count);
    }
}

使用AtomicInteger之后，最终的输出结果同样可以保证是200。并且在某些情况下，代码的性能会比Synchronized更好。
Atomic操作类的底层实现：Atomic操作类的底层实现用到的正是CAS机制。

什么是CAS?
CAS是英文单词Compare And Swap的缩写，翻译过来就是比较并替换。
CAS机制当中使用了3个基本操作数：内存地址V，旧的预期值A，要修改的新值B。
更新一个变量的时候，只有当变量的预期值A和内存地址V当中的实际值相同时，才会将内存地址V对应的值修改为B。
举个栗子：
1.在内存地址V当中，存储着值为10的变量。

2.此时线程1想要把变量的值增加1。对线程1来说，旧的预期值A=10，要修改的新值B=11。

3.在线程1要提交更新之前，另一个线程2抢先一步，把内存地址V中的变量值率先更新成了11。

4.线程1开始提交更新，首先进行A和地址V的实际值比较（Compare），发现A不等于V的实际值，提交失败。

5.线程1重新获取内存地址V的当前值，并重新计算想要修改的新值。此时对线程1来说，A=11，B=12。这个重新尝试的过程被称为自旋。

 

6.这一次比较幸运，没有其他线程改变地址V的值。线程1进行Compare，发现A和地址V的实际值是相等的。

7.线程1进行SWAP，把地址V的值替换为B，也就是12。

从思想上来说，Synchronized属于悲观锁，悲观地认为程序中的并发情况严重，所以严防死守。CAS属于乐观锁，乐观地认为程序中的并发情况不那么严重，所以让线程不断去尝试更新。

CAS和Synchronized没有绝对的好与坏，关键看使用场景。在并发量非常高的情况下，反而用同步锁更合适一些。
CAS的应用：
1. Atomic系列类，以及Lock系列类的底层实现
2. 在Java1.6以上的版本，Synchronized转变为重量级锁之前，也会采用CAS机制。

CAS的缺点：
1.CPU开销较大
在并发量比较高的情况下，如果许多线程反复尝试更新某一个变量，却又一直更新不成功，循环往复，会给CPU带来很大的压力。
2.不能保证代码块的原子性
CAS机制所保证的只是一个变量的原子性操作，而不能保证整个代码块的原子性。比如需要保证3个变量共同进行原子性的更新，就不得不使用Synchronized了。
3.ABA问题
这是CAS机制最大的问题所在。这里在下一篇说明。

参考：漫画：什么是 CAS 机制？

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