Java并发编程之CAS深入分析

JDK 5 的并发包中提供了很多类，这些类提供了比原有的并发机制更好的性能和伸缩性。要想理解这些类的工作机理，那就不得不提到 CAS。CAS 全称是 Compare and Swap，是指现代主流 CPU 都支持的一种指令，这个指令能为多线程编程带来更好的性能（稍后会详细介绍）。另外一个可能会被当做 CAS 的是 Compare and Set，是指 JDK 5 并发包中广泛使用的一种基于 Compare and Swap 的并发算法。严格说 CAS 仅指代前者。

Compare and Swap

在这里，CAS 指的是现代 CPU 广泛支持的一种对内存中的共享数据进行操作的一种特殊指令。这个指令会对内存中的共享数据做原子的读写操作。简单介绍一下这个指令的操作过程：首先，CPU 会将内存中将要被更改的数据与期望的值做比较。然后，当这两个值相等时，CPU 才会将内存中的数值替换为新的值。否则便不做操作。最后，CPU 会将旧的数值返回。这一系列的操作是原子的。它们虽然看似复杂，但却是 Java 5 并发机制优于原有锁机制的根本。简单来说，CAS 的含义是“我认为原有的值应该是什么，如果是，则将原有的值更新为新值，否则不做修改，并告诉我原来的值是多少”（这段描述引自《Java Concurrency in Practice》）

CAS（Compare and swap）比较和替换是设计并发算法时用到的一种技术。简单来说，比较和替换是使用一个期望值和一个变量的当前值进行比较，如果当前变量的值与我们期望的值相等，就使用一个新值替换当前变量的值。这听起来可能有一点复杂但是实际上你理解之后发现很简单，接下来，让我们跟深入的了解一下这项技术。

CAS的使用场景
在程序和算法中一个经常出现的模式就是“check and act”模式。先检查后操作模式发生在代码中首先检查一个变量的值，然后再基于这个值做一些操作。下面是一个简单的示例：
class MyLock {

    private boolean locked = false;

    public boolean lock() {
        if(!locked) {
            locked = true;
            return true;
        }
        return false;
    }
}

上面这段代码，如果用在多线程的程序会出现很多错误，不过现在请忘掉它。

如你所见，lock()方法首先检查locked>成员变量是否等于false，如果等于，就将locked设为true。

如果同个线程访问同一个MyLock实例，上面的lock()将不能保证正常工作。如果一个线程检查locked的值，然后将其设置为false，与此同时，一个线程B也在检查locked的值，又或者，在线程A将locked的值设为false之前。因此，线程A和线程B可能都看到locked的值为false，然后两者都基于这个信息做一些操作。

为了在一个多线程程序中良好的工作，”check then act” 操作必须是原子的。原子就是说”check“操作和”act“被当做一个原子代码块执行。不存在多个线程同时执行原子块。

下面是一个代码示例，把之前的lock()方法用synchronized关键字重构成一个原子块。

class MyLock {

    private boolean locked = false;

    public synchronized boolean lock() {
        if(!locked) {
            locked = true;
            return true;
        }
        return false;
    }
}
现在lock()方法是同步的，所以，在某一时刻只能有一个线程在同一个MyLock实例上执行它。

原子的lock方法实际上是一个”compare and swap“的例子。

CAS用作原子操作
现在CPU内部已经执行原子的CAS操作。Java5以来，你可以使用java.util.concurrent.atomic包中的一些原子类来使用CPU中的这些功能。

下面是一个使用AtomicBoolean类实现lock()方法的例子：

public static class MyLock {
    private AtomicBoolean locked = new AtomicBoolean(false);

    public boolean lock() {
        return locked.compareAndSet(false, true);
    }

}
locked变量不再是boolean类型而是AtomicBoolean。这个类中有一个compareAndSet()方法，它使用一个期望值和AtomicBoolean实例的值比较，和两者相等，则使用一个新值替换原来的值。在这个例子中，它比较locked的值和false，如果locked的值为false，则把修改为true。
如果值被替换了，compareAndSet()返回true，否则，返回false。

使用Java5 提供的CAS特性而不是使用自己实现的的好处是Java5 中内置的CAS特性可以让你利用底层的你的程序所运行机器的CPU的CAS特性。这会使还有CAS的代码运行更快。

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