Java併發編程之CAS

前言

 CAS（Compare and swap）比較和替換是設計併發算法時用到的一種技術。簡單來講，比較和替換是使用一個指望值和一個變量的當前值進行比較，若是當前變量的值與咱們指望的值相等，就使用一個新值替換當前變量的值。這聽起來可能有一點複雜可是實際上你理解以後發現很簡單，接下來，讓咱們跟深刻的瞭解一下這項技術。

CAS的使用場景

在程序和算法中一個常常出現的模式就是「check and act」模式。先檢查後操做模式發生在代碼中首先檢查一個變量的值，而後再基於這個值作一些操做。下面是一個簡單的示例：

class MyLock {

    private boolean locked = false;

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

上面這段代碼，若是用在多線程的程序會出現不少錯誤，不過如今請忘掉它。

如你所見，lock()方法首先檢查locked>成員變量是否等於false，若是等於，就將locked設爲true。

CAS的ABA問題

若是同個線程訪問同一個MyLock實例，上面的lock()將不能保證正常工做。若是一個線程檢查locked的值，而後將其設置爲false，與此同時，一個線程B也在檢查locked的值，又或者，在線程A將locked的值設爲false以前。所以，線程A和線程B可能都看到locked的值爲false，而後二者都基於這個信息作一些操做。這就是ABA的問題。

舉個例子，你拿着一個裝滿錢的手提箱在飛機場，此時過來了一個火辣性感的美女，而後她很暖昧地挑逗着你，並趁你不注意的時候，把用一個如出一轍的手提箱和你那裝滿錢的箱子調了個包，而後就離開了，你看到你的手提箱還在那，因而就提着手提箱去趕飛機去了。

 

爲了在一個多線程程序中良好的工做，」check then act」 操做必須是原子的。原子就是說」check「操做和」act「被當作一個原子代碼塊執行。不存在多個線程同時執行原子塊。

下面是一個代碼示例，把以前的lock()方法用synchronized關鍵字重構成一個原子塊。

class MyLock {

    private boolean locked = false;

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

如今lock()方法是同步的，因此，在某一時刻只能有一個線程在同一個MyLock實例上執行它。

原子的lock方法其實是一個」compare and swap「的例子。

CAS用做原子操做

如今CPU內部已經執行原子的CAS操做。Java5以來，你可使用java.util.concurrent.atomic包中的一些原子類來使用CPU中的這些功能。

下面是一個使用AtomicBoolean類實現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變量再也不是boolean類型而是AtomicBoolean。這個類中有一個compareAndSet()方法，它使用一個指望值和AtomicBoolean實例的值比較，和二者相等，則使用一個新值替換原來的值。在這個例子中，它比較locked的值和false，若是locked的值爲false，則把修改成true。
若是值被替換了，compareAndSet()返回true，不然，返回false。

使用Java5+提供的CAS特性而不是使用本身實現的的好處是Java5+中內置的CAS特性可讓你利用底層的你的程序所運行機器的CPU的CAS特性。這會使還有CAS的代碼運行更快。