CAS概念：
之前复习volatile关键字的时候，指出volatile不保证原子性。但是使用Atomic包内的类可以保证其原子性。
CAS: Compare And Swap 比较并交换，即java.util.concurrent.atomic下的AtomicXxxx类里面定义的各种比较并交换方法。
CAS的全称为Compare-And-Swap ,它是一条CPU并发原语.
它的功能是判断内存某个位置的值是否为预期值,如果是则更新为新的值,这个过程是原子的.
CAS并发原语提现在Java语言中就是sun.miscUnSaffe类中的各个方法.调用UnSafe类中的CAS方法,JVM会帮我实现CAS汇编指令.这是一种完全依赖于硬件 功能,通过它实现了原子操作,再次强调,由于CAS是一种系统原语,原语属于操作系统用于范畴,是由若干条指令组成,用于完成某个功能的一个过程,并且原语的执行必须是连续的,在执行过程中不允许中断,也即是说CAS是一条原子指令,不会造成所谓的数据不一致的问题.
顾名思义就是在jmm模型里面，一个线程从主内存里面拿到一个希望拿到的正确的值（expected），如果拿不到就不改变。一旦值为正确的，就将值改变。
public class CASDemo1 {
public static void main(String[] args) {
AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(5);
boolean isSuccessFirstTime = atomicInteger.compareAndSet(5, 2020);
System.out.println(isSuccessFirstTime + "\t" + atomicInteger.get());
boolean isSuccessSecondTime = atomicInteger.compareAndSet(5, 123);
System.out.println(isSuccessSecondTime + "\t" + atomicInteger.get());
}
}
上面的代码执行结果：
true 2020
false 2020
两次调用了AtomicInteger的compareAndSet方法，初始化为5，当第一次调用时，main线程从主内存中取值并与传入expect值比较。因为我们第一次调用expect为5，所以一样，方法执行完毕，内存中的值从5变为2020.但是下次调用时，线程从内存中取到的值和传入的expect不相等，所以没有执行成功。内存中的值没有被改变为123，仍然为2020.
CAS底层实现：
CAS主要通过Unsafe类来操作底层硬件来实现原子性。
1.UnSafe
是CAS的核心类 由于Java 方法无法直接访问底层 ,需要通过本地(native)方法来访问,UnSafe相当于一个后台,基于该类可以直接操作特定的内存数据.
UnSafe类在于sun.misc包中,其内部方法操作可以向C的指针一样直接操作内存,因为Java中CAS操作依赖于UNSafe类的方法.
注意UnSafe类中所有的方法都是native修饰的,也就是说UnSafe类中的方法都是直接调用操作底层资源执行响应的任务
2.变量ValueOffset,便是该变量在内存中的偏移地址,因为UnSafe就是根据内存偏移地址获取数据的。
public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
private static final long serialVersionUID = 6214790243416807050L;
// setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updates
private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
private static final long valueOffset;
static {
try {
valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
(AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
} catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}
private volatile int value;
//value是volatile修饰的，保证了线程之间的可见性
value是volatile修饰的，保证了线程之间的可见性。
下面以Unsafe类里面的getAndAddInt方法为例解读（底层是一个do-while循环）：
var1 AtomicInteger对象本身.
var2 该对象值的引用地址
var4 需要变动的数值
var5 是用var1 var2找出内存中的值
用该对象当前的值与var5比较
如果相同,更新var5的值并且返回true
如果不同,继续取值然后比较,直到更新完成
public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
int var5;
do {
var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
} while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));
return var5;
}
假设线程A和线程B两个线程同时执行getAndAddInt操作(分别在不同的CPU上):
1.AtomicInteger里面的value原始值为3,即主内存中AtomicInteger的value为3,根据JMM模型,线程A和线程B各自持有一份值为3的value的副本分别到各自的工作内存.
2.线程A通过getIntVolatile(var1,var2) 拿到value值3,这是线程A被挂起.
3.线程B也通过getIntVolatile(var1,var2) 拿到value值3,此时刚好线程B没有被挂起并执行compareAndSwapInt方法比较内存中的值也是3 成功修改内存的值为4 线程B打完收工 一切OK.
4.这时线程A恢复,执行compareAndSwapInt方法比较,发现自己手里的数值和内存中的数字4不一致,说明该值已经被其他线程抢先一步修改了,那A线程修改失败,只能重新来一遍了.
5.线程A重新获取value值,因为变量value是volatile修饰,所以其他线程对他的修改,线程A总是能够看到,线程A继续执行compareAndSwapInt方法进行比较替换,直到成功.
总结：
CAS缺点：
1.循环时间开销容易太大
因为CAS方法内部有do-while循环
2.只能保证一个变量的原子性：
3.最重要的一点：ABA问题，见下一章节讲解。
CAS的ABA问题及解决：
通俗来说ABA问题就是指多线程环境下工作内存中的值被狸猫换太子
举个例子：
假如现在有两个线程，主内存中有一数字为1。
A线程的任务是使用cas的compareAndSet方法将内存中的数字与1比对，将数字转变为5.
B线程的任务是将内存中的数字先换为5，再换回1.
这样的话，如果线程A先进入要取出数字，此时B迅速进入并完成所有操作，此时内存中数字虽然是1，但是其实是其他线程变动过的1（被偷换过的），这是不合理的。然而A仍然没有中断自己的任务将内存中的“假值”改变为了5
举例：ABA问题产生：
public class Q4ABADemo {
static AtomicReference<Integer> atomicReference = new AtomicReference<>(100);
static AtomicStampedReference<Integer> atomicStampedReference = new AtomicStampedReference<>(100, 1);
public static void main(String[] args) {
new Thread(() -> {
atomicReference.compareAndSet(100, 101);
atomicReference.compareAndSet(101, 100);
},"t1").start();
new Thread(() -> {
//暂停一会线程，保证t1完成了一次aba操作
try { TimeUnit.SECONDS.sleep(1); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }
boolean isReplaced = atomicReference.compareAndSet(100, 200);
System.out.println(isReplaced+"\t"+atomicReference.get());
},"t2").start();
try { TimeUnit.SECONDS.sleep(2); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }
}
}
输出结果：
true 200
可见线程t2成功的将“假的100”操作为了200，出现了ABA问题。
举例：ABA问题的解决：
使用AtomicStampedReference**，将每次的修改行为附上一个修改标记stamp，每更新一次内存中的值，stamp对应就更新一次，这样就可以保证拿到的是真实的原始值而不是被“偷换过”的值。**
下面是举例，解决上一段代码的ABA问题：
public class Q4ABADemo {
static AtomicReference<Integer> atomicReference = new AtomicReference<>(100);
static AtomicStampedReference<Integer> atomicStampedReference = new AtomicStampedReference<>(100, 1);
public static void main(String[] args) {
new Thread(() -> {
int stamp = atomicStampedReference.getStamp();
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t第一次版本号:"+stamp);
try { TimeUnit.SECONDS.sleep(1); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }
atomicStampedReference.compareAndSet(100, 101,
atomicStampedReference.getStamp(),atomicStampedReference.getStamp()+1);
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t第二次版本号:"+atomicStampedReference.getStamp());
atomicStampedReference.compareAndSet(101, 100,
atomicStampedReference.getStamp(),atomicStampedReference.getStamp()+1);
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t第三次版本号:"+atomicStampedReference.getStamp());
},"t3").start();
new Thread(() -> {
int stamp = atomicStampedReference.getStamp();
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t要获取的版本号版本号:"+stamp);
//暂停一会线程，保证t3完成了一次aba操作
try { TimeUnit.SECONDS.sleep(3); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }
boolean isReplaced = atomicStampedReference.compareAndSet(100, 200, stamp, stamp + 1);
System.out.println(isReplaced+"\t"+atomicStampedReference.getReference());
},"t4").start();
}
}
输出结果：
t3 第一次版本号:1
t4 要获取的版本号:1
t3 第二次版本号:2
t3 第三次版本号:3
false 100
t4要获取的版本号是“1”版本的数字100，但是此时的数字100所附带的版本号是“3”，所以这个是假数据，不能去操作，解决了ABA问题。
总结：
1.CAS是啥？
java.util.concurrent.atomic下的AtomicXxxx类里面定义的各种比较并交换方法。
2.CAS的ABA问题？如何解决？
aba问题让线程读到假的数据，解决：使用AtomicStampedReference将每次修改附上一个标记。
