10. CAS 与 原子操作
10.1 原子性
原子操作就是最小的不可拆分的操作，操作一旦开始，就不能被打断，直到操作完成。
- 要么全部成功，要么全部失败。
- 原子操作能保证线程安全性。
10.1.1 Java 中的原子类
java.util.concurrent.automic 包中提供了原子操作类，保证了线程安全性和操作的高效性：
- 基本数据类型原子类：
AtomicInteger，AtomicBoolean等 - 数组类型原子类：
AtomicIntegerArray,AtomicReferenceArray等 - 引用类型原子类：
AtomicReference等- 把多个变量放在用一个对象里进行 CAS 操作，解决 CAS 的多变量问题
AtomicStampedReference可以解决 ABA 问题
- 字段类型原子类：
AtomicIntegerFieldUpdater等
Java 中的原子类在提交数据更改时使用了 CAS 操作，内部实现原理是利用了 CPU 的缓存锁。
10.1.2 处理器实现原子操作
缓存锁：通过锁 CPU 缓存来保证对某个内存地址的操作是原子性的。
10.1.3 Java 实现原子操作
- CAS 机制
- 锁机制
10.2 CAS
CAS 即 compare and swap，比较并交换。
CAS 是无锁编程的一种实现方式，用来实现 自旋锁 或 乐观锁。
- 又叫非阻塞同步。
CAS 定义三个值：
- V ： 要更新的变量 var
- E ： 当前线程对变量旧值的预期值 exception
- N ： 变量被更新的值 new
10.2.1 CAS 的更新机制
比较 V 与 E，判断 V 是否被其他线程更改过：
- 如果
V == E，则设置V = N - 如果
V != E，则说明 V 被其他线程更改过，取消这次更新
10.2.2 CAS 操作的原子性
CAS 是一种系统原语，具有原子性，当多个线程同时使用 CAS 来操作一个变量时，只有一个会更新成功，其他均失败：
- 失败的线程会被告知失败，此时失败的线程可以尝试重试或者放弃重试
- 失败并重试被称为 CAS 自旋
10.2.3 CAS 的实现
Java 实现 CAS ： Unsafe 类
sun.misc 包下的 Unsafe 类下的几个 native 方法实现了 CAS 操作：
public final native boolean compareAndSwapObject(Object o, long offset, Object expected, Object x);
public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset, int expected, int x);
public final native boolean compareAndSwapLong(Object o, long offset, long expected, long x);CPU 级 CAS 的实现
cmpxchgl CPU 指令实现CAS
10.2.4 CAS 存在的问题
多变量问题
CAS 能完成对单个变量的原子操作，但不能保证多个变量同时操作的原子性
- 可以通过把多个变量封装成引用类型，通过
AtomicReference进行 CAS 操作 - 使用锁，锁同步代码块
ABA 问题
当 CAS 中，变量的值从 A 改到了 B，有改回了 A，则 CAS 会认为变量值没有被改变过。
- 可以通过版本号机制来解决这一问题。
长时间自旋问题
一直自旋会占用大量的 CPU 资源
- 使用
pause指令提升自旋等待循环的性能
10.2.5 CAS 的适用场景
- 适用于简单对象的操作，如 boolean，int 等
- 适用于冲突少的情况，如果太多线程在自旋，会导致过大的 CPU 开销
