Java中的CAS

一.问题提出

如何保证 withdraw 取款方法的线程安全

public class Cas {
    public static void main(String[] args) {
        Account.demo(new AccountUnsafe(10000));
    }
}

class AccountUnsafe implements Account {
    private Integer balance;

    public AccountUnsafe(Integer balance) {
        this.balance = balance;
    }

    @Override
    public Integer getBalance() {
        return balance;
    }

    @Override
    public void withdraw(Integer amount) {
        balance -= amount;
    }
}

interface Account {
    // 获取余额
    Integer getBalance();
    // 取款
    void withdraw(Integer amount);
    /**
     * 方法内会启动 1000 个线程，每个线程做 -10 元 的操作
     * 如果初始余额为 10000 那么正确的结果应当是 0
     */
    static void demo(Account account) {
        List<Thread> ts = new ArrayList<>();
        long start = System.nanoTime();
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            ts.add(new Thread(() -> {
                account.withdraw(10);
            }));
        }
        ts.forEach(Thread::start);
        ts.forEach(t -> {
            try {
                t.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
        long end = System.nanoTime();
        System.out.println(account.getBalance()
                + " cost: " + (end-start)/1000_000 + " ms");
    }
}

1.1解决思路-锁

    @Override
    public synchronized Integer getBalance() {
        return balance;
    }
    
    @Override
    public synchronized void withdraw(Integer amount) {
        balance -= amount;
    }

1.2解决思路-无锁

class AccountUnsafe implements Account {
    private AtomicInteger balance;

    public AccountUnsafe(Integer balance) {
        this.balance = new AtomicInteger(balance);
    }
    @Override
    public Integer getBalance() {
        return balance.get();
    }

    @Override
    public void withdraw(Integer amount) {
        while (true) {
            int prev = balance.get();
            int next = prev - amount;
            if (balance.compareAndSet(prev, next)) {
                break;
            }
        }
    }
}

二.什么是CAS

CAS：全称Compare and swap，字面意思：“比较并交换”，一个CAS涉及到以下操作：

我们假设内存中原数据V，旧的预期值A，需要修改的新值B。

    1. 比较A与V是否相等（比较）

    2. 如果比较相等，将B写入V。（交换）

    3. 返回操作是否成功。

多个线程同时对一个公共资源进行CAS操作，只能有一个线程操作成功，但是并不会阻塞其他线程，其他线程只会收到操作失败的信号。

    public void withdraw(Integer amount) {
        // 需要不断尝试，直到成功为止
        while (true) {
            // 比如拿到了旧值 1000
            int prev = balance.get();
            // 在这个基础上 1000-10 = 990
            int next = prev - amount;
             /*
             compareAndSet 正是做这个检查，在 set 前，先比较 prev 与当前值
             - 不一致了，next 作废，返回 false 表示失败
             比如，别的线程已经做了减法，当前值已经被减成了 990
             那么本线程的这次 990 就作废了，进入 while 下次循环重试
             - 一致，以 next 设置为新值，返回 true 表示成功
             */
            if (balance.compareAndSet(prev, next)) {
                break;
            }
        }
    }

注意

     其实 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。 

     在多核状态下，某个核执行到带 lock 的指令时，CPU 会让总线锁住，当这个核把此指令执行完毕，再开启总线。这个过程中不会被线程的调度机制所打断，保证了多个线程对内存操作的准确性，是原子的。 

三.CAS的特点

结合 CAS 和 volatile 可以实现无锁并发，适用于线程数少、多核 CPU 的场景下。

（1）CAS 是基于乐观锁的思想：最乐观的估计，不怕别的线程来修改共享变量，就算改了也没关系，吃亏点再重试。

（2）synchronized 是基于悲观锁的思想：最悲观的估计，得防着其它线程来修改共享变量，我上了锁你们都别想 改，我改完了解开锁，你们才有机会。

（3）CAS 体现的是无锁并发、无阻塞并发

    因为没有使用 synchronized，所以线程不会陷入阻塞，这是效率提升的因素之一 

    但如果竞争激烈，可以想到重试必然频繁发生，反而效率会受影响

四.ABA问题

主线程仅能判断出共享变量的值与最初值 A 是否相同，不能感知到这种从 A 改为 B 又 改回 A 的情况

    static AtomicReference<String> ref = new AtomicReference<>("A");

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        System.out.println("main start...");
        // 获取值 A
        // 这个共享变量被它线程修改过？
        String prev = ref.get();
        other();
        Thread.sleep(1000);
        // 尝试改为 C
        System.out.println("change A->C {}" + ref.compareAndSet(prev, "C"));
    }

    private static void other() throws InterruptedException {
        new Thread(() -> {
            System.out.println("change A->B {}" + ref.compareAndSet(ref.get(), "B"));
        }, "t1").start();
        Thread.sleep(500);
        new Thread(() -> {
            System.out.println("change B->A {}" + ref.compareAndSet(ref.get(), "A"));
        }, "t2").start();
    }

输出：

4.1解决方案-AtomicStampedReference

如果主线程 希望：

    只要有其它线程【动过了】共享变量，那么自己的 cas 就算失败，这时，仅比较值是不够的，需要再加一个版本号。

AtomicStampedReference 可以给原子引用加上版本号，追踪原子引用整个的变化过程，如： A -> B -> A -> C ，通过AtomicStampedReference，我们可以知道，引用变量中途被更改了几次。

    static AtomicStampedReference<String> ref = new AtomicStampedReference<>("A", 0);

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        System.out.println("main start...");
        // 获取值 A
        String prev = ref.getReference();
        // 获取版本号
        int stamp = ref.getStamp();
        System.out.println("版本：" + stamp);
        other();
        Thread.sleep(1000);
        // 尝试改为 C
        System.out.println("change A->C {}" + ref.compareAndSet(prev, "C", stamp, stamp + 1));
    }

    private static void other() throws InterruptedException {
        new Thread(() -> {
            System.out.println("change A->B {}" + ref.compareAndSet(ref.getReference(), "B", ref.getStamp(), ref.getStamp() + 1));
            System.out.println("更新版本为：" + ref.getStamp());
        }, "t1").start();
        Thread.sleep(500);
        new Thread(() -> {
            System.out.println("change B->A {}" + ref.compareAndSet(ref.getReference(), "A", ref.getStamp(), ref.getStamp() + 1));
            System.out.println("更新版本为：" + ref.getStamp());
        }, "t2").start();
    }

输出：

4.2解决方案-AtomicMarkableReference

    有时候，并不关心引用变量更改了几次，只是单纯的关心**是否更改过**，所以就有了 

AtomicMarkableReference

    static AtomicMarkableReference<String> ref = new AtomicMarkableReference<>("A", true);

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        System.out.println("main start...");
        // 获取值 A
        String prev = ref.getReference();
        other();
        Thread.sleep(1000);
        // 尝试改为 C
        System.out.println("change A->C {}" + ref.compareAndSet(prev, "C", true, false));
    }

    private static void other() {
        new Thread(() -> {
            System.out.println("change A->B {}" + ref.compareAndSet(ref.getReference(), "B", true, false));
        }, "t1").start();
    }

输出：