Java併發編程之CAS原理分析
在併發編程中，我們經常需要處理多線程對共享資源的訪問和修改。那麼如何解決併發安全呢？
一. 解決併發安全問題的方案
最粗暴的方式就是使用 synchronized 關鍵字了，但它是一種獨佔形式的鎖，屬於悲觀鎖機制，性能會大打折扣。olatile 貌似也是一個不錯的選擇，但 volatile 只能保持變量的可見性，並不保證變量的原子性操作。
相比之下，CAS（Compare And Swap）是一種樂觀鎖機制。它不需要加鎖，是一種無鎖的原子操作。
二. 悲觀鎖和樂觀鎖
1. 悲觀鎖
對於悲觀鎖來說，它總是認爲每次訪問共享資源時會發生衝突，所以必須對每次數據操作加上鎖，以保證臨界區的程序同一時間只能有一個線程在執行。
2. 樂觀鎖
對於樂觀鎖來說，它總是假設對共享資源的訪問沒有衝突，線程可以不停地執行，無需加鎖也無需等待。一旦多個線程發生衝突，樂觀鎖通常使用一種稱爲 CAS 的技術來保證線程執行的安全性。
由於樂觀鎖假想操作中沒有鎖的存在，因此不太可能出現死鎖的情況，換句話說，樂觀鎖天生免疫死鎖。
3. 使用場景
樂觀鎖多用於“讀多寫少“的環境，避免頻繁加鎖影響性能；
悲觀鎖多用於”寫多讀少“的環境，避免頻繁失敗和重試影響性能。
三、什麼是CAS
CAS 是什麼，它的英文全稱是 Compare-And-Swap，中文叫做“比較並交換”，它是一種思想、一種算法。
CAS算法有3個基本操作數：
內存地址V
舊的預期值A
要修改的新值B
在併發場景下，各個代碼的執行順序不能確定，爲了保證併發安全，我們可以使用普通的互斥鎖，比如Java的 synchronized, ReentrantLock等。而CAS的特點是避免使用互斥鎖，當多個線程併發使用CAS更新同一個變量時，只有一個可以操作成功，其他都會失敗。而且用CAS更新失敗的線程並不會阻塞，會快速失敗並返回一個失敗的狀態，允許你再次嘗試。
四、CAS的原理
CAS 的思想很簡單：三個參數，一個當前內存值 V、舊的預期值 A、即將更新的值 B，當且僅當預期值 A 和內存值 V 相同時，將內存值修改爲 B 並返回 true，否則什麼都不做，並返回 false。
CAS操作是原子的，即在同一時刻只有一個線程能夠成功執行CAS操作。
CAS的基本步驟如下：
讀取共享變量的當前值。
比較當前值與期望值。
如果相等，則使用新的值替換當前值。
如果比較失敗，則說明其他線程已經修改了共享變量，需要重新讀取當前值並重試操作。
CAS操作是一種無鎖的操作，避免了傳統鎖機制中的競爭和阻塞，從而提高了併發性能。
java.util.concurrent 包很多功能都是建立在 CAS 之上，如 ReenterLock（可重入鎖） 內部的 AQS，各種原子類，其底層都用 CAS來實現原子操作。
五、CAS的問題
CAS和鎖都解決了原子性問題，和鎖相比沒有阻塞、線程上下文你切換、死鎖，所以CAS要比鎖擁有更優越的性能，但是CAS同樣存在缺點。
1. 只能保證一個共享變量原子操作
CAS只能針對一個共享變量使用，如果多個共享變量就只能使用鎖了，當然如果有辦法把多個變量整成一個變量，利用CAS也不錯，例如讀寫鎖中state的高低位。
2. 自旋時間太長
當一個線程獲取鎖時失敗，不進行阻塞掛起，而是間隔一段時間再次嘗試獲取，直到成功爲止，這種循環獲取的機制被稱爲自旋鎖(spinlock)。
自旋鎖的優點：
持有鎖的線程在短時間內釋放鎖，那些等待競爭鎖的線程就不需進入阻塞狀態（無需線程上下文切換/無需用戶態與內核態切換），它們只需要等一等（自旋），等到持有鎖的線程釋放鎖之後即可獲取，這樣就避免了用戶態和內核態的切換消耗。
自旋鎖的缺點：
線程在長時間內持有鎖，等待競爭鎖的線程一直自旋，即CPU一直空轉，資源浪費在毫無意義的地方，所以一般會限制自旋次數。
最後來說自旋鎖的實現，實現自旋鎖可以基於CAS實現，先定義lockValue對象默認值1，1代表鎖資源空閒，0代表鎖資源被佔用，代碼如下：
1 public class SpinLock { 2 3 //lockValue 默認值1 4 private AtomicInteger lockValue = new AtomicInteger(1); 5 6 //自旋獲取鎖 7 public void lock(){ 8 9 // 循環檢測嘗試獲取鎖 10 while (!tryLock()){ 11 // 空轉 12 } 13 14 } 15 16 //獲取鎖 17 public boolean tryLock(){ 18 // 期望值1，更新值0，更新成功返回true，更新失敗返回false 19 return lockValue.compareAndSet(1,0); 20 } 21 22 //釋放鎖 23 public void unLock(){ 24 if(!lockValue.compareAndSet(1,0)){ 25 throw new RuntimeException("釋放鎖失敗"); 26 } 27 } 28 29 }
參考鏈接：https://segmentfault.com/a/1190000040042588