CAS是什么？

了解CAS之前膨报，我們先了解變量的2大特性磷籍。

原子操作（原子性）：對(duì)于操作A，要么執(zhí)行完现柠，要么完全不執(zhí)行院领。即一個(gè)操作或者多個(gè)操作要么全部執(zhí)行并且執(zhí)行的過(guò)程不會(huì)被任何因素打斷，要么就都不執(zhí)行够吩。

可見(jiàn)性：當(dāng)多個(gè)線程訪問(wèn)同一個(gè)變量時(shí)比然，一個(gè)線程修改了這個(gè)變量的值，其他線程能夠立即看得到修改的值周循。

CAS全名(Compare And Swap)强法，字面意思就是比較并且交換。實(shí)際操作也是如此的湾笛。

CAS是基于鎖的操作饮怯，并且它是樂(lè)觀鎖。CAS操作嚎研。通過(guò)不斷的自旋達(dá)到目的蓖墅，能夠在很短的時(shí)間持有和釋放資源。自旋操作嘉赎，可能會(huì)帶來(lái)cpu的性能過(guò)分消耗（自選始終達(dá)不到目的的時(shí)候置媳，這樣就會(huì)導(dǎo)致無(wú)限接近于死循環(huán)）

我們常定義的根據(jù)獲取鎖的方式有2種

樂(lè)觀鎖：不加鎖的方式通過(guò)記錄比較的方式來(lái)進(jìn)行操作。通俗點(diǎn)說(shuō)就是公条，大家都可以操作拇囊，但是結(jié)果會(huì)根據(jù)沖突檢測(cè)結(jié)果而不同。因?yàn)槿绻l(fā)現(xiàn)沖突了靶橱，則返回給用戶錯(cuò)誤的信息寥袭，讓用戶決定如何去做路捧。樂(lè)觀鎖適用于讀操作多的場(chǎng)景，這樣可以提高程序的吞吐量传黄。（CAS就是樂(lè)觀鎖）（應(yīng)用于多讀場(chǎng)景）

悲觀鎖:?總是讓一個(gè)任務(wù)拿到鎖杰扫，執(zhí)行完畢釋放鎖過(guò)后其他任務(wù)才能接著拿鎖執(zhí)行。通俗點(diǎn)說(shuō)就是膘掰，大家只能一個(gè)個(gè)操作章姓，必須等前面一個(gè)拿到鎖釋放過(guò)后才能執(zhí)行下一個(gè)。synchronized?就是悲觀鎖识埋。（應(yīng)用于多寫場(chǎng)景）

我們常定義的根據(jù)獲取鎖時(shí)是否先參與排隊(duì)有2種

公平鎖：多個(gè)線程按照申請(qǐng)鎖的順序去獲得鎖凡伊，線程會(huì)直接進(jìn)入隊(duì)列去排隊(duì)，永遠(yuǎn)都是隊(duì)列的第一位才能得到鎖窒舟。優(yōu)點(diǎn)：所有的線程都能得到資源系忙，不會(huì)餓死在隊(duì)列中。缺點(diǎn)：吞吐量會(huì)下降很多惠豺，隊(duì)列里面除了第一個(gè)線程银还，其他的線程都會(huì)阻塞，cpu喚醒阻塞線程的開(kāi)銷會(huì)很大洁墙。（如ReentrantLock蛹疯，可自定義設(shè)置公平或非公平）

非公平鎖：多個(gè)線程去獲取鎖的時(shí)候，會(huì)直接去嘗試獲取扫俺，獲取不到苍苞，再去進(jìn)入等待隊(duì)列，如果能獲取到狼纬，就直接獲取到鎖。優(yōu)點(diǎn)：可以減少CPU喚醒線程的開(kāi)銷骂际，整體的吞吐效率會(huì)高點(diǎn)疗琉，CPU也不必取喚醒所有線程，會(huì)減少喚起線程的數(shù)量歉铝。缺點(diǎn)：你們可能也發(fā)現(xiàn)了盈简，這樣可能導(dǎo)致隊(duì)列中間的線程一直獲取不到鎖或者長(zhǎng)時(shí)間獲取不到鎖，導(dǎo)致餓死太示。（如ReentrantLock柠贤，可自定義設(shè)置公平或非公平）

我們常定義的根據(jù)鎖的性質(zhì)分類有3種：

共享鎖：線程可以同時(shí)獲取鎖。ReentrantReadWriteLock對(duì)于讀鎖是共享的类缤。在讀多寫少的情況下使用共享鎖會(huì)非常高效臼勉。

重入鎖：線程獲取鎖后可以重復(fù)執(zhí)行鎖區(qū)域。Java提供的鎖都是可重入鎖餐弱。不可重入鎖非常容易導(dǎo)致死鎖宴霸。

排它鎖：多線程不可同時(shí)獲取的鎖囱晴，與共享鎖對(duì)立。與重入鎖不矛盾可以是并存屬性瓢谢。

我們常定義的根據(jù)狀態(tài)劃分有3種：

偏向鎖：一段同步代碼一直被一個(gè)線程所訪問(wèn)畸写，那么該線程會(huì)自動(dòng)獲取鎖。降低獲取鎖的代價(jià)氓扛。類似于樂(lè)觀鎖枯芬。

輕量級(jí)鎖：當(dāng)鎖是偏向鎖的時(shí)候，被另一個(gè)線程所訪問(wèn)采郎，偏向鎖就會(huì)升級(jí)為輕量級(jí)鎖千所，其他線程會(huì)通過(guò)自旋的形式嘗試獲取鎖，不會(huì)阻塞尉剩，提高性能

重量級(jí)鎖：當(dāng)鎖為輕量級(jí)鎖的時(shí)候真慢，另一個(gè)線程雖然是自旋，但自旋不會(huì)一直持續(xù)下去理茎，當(dāng)自旋一定次數(shù)的時(shí)候黑界，還沒(méi)有獲取到鎖，就會(huì)進(jìn)入阻塞皂林，該鎖膨脹為重量級(jí)鎖朗鸠。重量級(jí)鎖會(huì)讓其他申請(qǐng)的線程進(jìn)入阻塞，性能降低础倍。

為什么說(shuō)CAS是樂(lè)觀鎖呢烛占，CAS上面提到，進(jìn)行的操作就是比較且進(jìn)行交換沟启。

每一個(gè)CAS操作過(guò)程都包含三個(gè)運(yùn)算符：一個(gè)內(nèi)存地址V忆家，一個(gè)期望的值A(chǔ)和一個(gè)新值B。在進(jìn)行一次CAS操作時(shí)德迹，如果這個(gè)地址上存放的值等于這個(gè)期望的值A(chǔ)芽卿，則將地址上的值賦為新值B，否則不做任何操作胳搞。這里看出CAS也是一個(gè)原子操作卸例。

由于CAS是一種樂(lè)觀鎖。那么在檢查沖突的時(shí)候肌毅，過(guò)分簡(jiǎn)單的條件會(huì)引起ABA問(wèn)題筷转。

什么是ABA問(wèn)題?

舉個(gè)栗子。

如果有2個(gè)線程：我們需要進(jìn)行如下操作悬而。A→B→A→C

線程1：在執(zhí)行的過(guò)程中把值從A→B→A呜舒。

線程2：在執(zhí)行的過(guò)程中，如果恰好線程1執(zhí)行完摊滔，線程A進(jìn)行檢測(cè)的時(shí)候以為A值未發(fā)生變化阴绢，把值又變成了B店乐。這樣就造成了操作錯(cuò)誤。

因?yàn)镃AS需要在操作值的時(shí)候呻袭，檢查值有沒(méi)有發(fā)生變化眨八，如果沒(méi)有發(fā)生變化則更新，但是如果一個(gè)值原來(lái)是A左电，變成了B廉侧，又變成了A，那么使用CAS進(jìn)行檢查時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)它的值沒(méi)有發(fā)生變化篓足，但是實(shí)際過(guò)程中操作或者成員上卻發(fā)生了變化段誊。

如何解決ABA問(wèn)題，增加檢查沖突的條件栈拖。JDK5以上的atomic包里提供了解決辦法连舍。

Atomic包提供了以下3個(gè)類。

AtomicReference：原子更新引用類型涩哟。多個(gè)變量合并為一個(gè)變量索赏。類似一個(gè)類內(nèi)有多個(gè)變量。更改類內(nèi)的多個(gè)變量贴彼。然后通過(guò)比較類這個(gè)單一變量的CAS操作潜腻。

AtomicMarkableReference：原子更新帶有標(biāo)記位的引用類型。記錄改沒(méi)改過(guò)

AtomicStampedReference:版本戳的形式記錄了每次改變以后的版本號(hào)器仗。記錄該沒(méi)改過(guò)融涣，改過(guò)幾次。

CAS只能保證一個(gè)共享變量（因?yàn)橐粋€(gè)地址對(duì)應(yīng)一個(gè)變量）的原子操作精钮。當(dāng)代碼塊內(nèi)需要進(jìn)行多個(gè)變量更改操作時(shí)威鹿，CAS就不太適應(yīng)了。就需要使用其他鎖的機(jī)制操作轨香，如synchronized专普。

此外需要注意，CAS對(duì)cpu的開(kāi)銷可能會(huì)很大弹沽，因?yàn)樗且环N自旋操作。自旋操作可以無(wú)限接近于死循環(huán)筋粗。

Volatile:可以把對(duì)volatile變量的單個(gè)讀/寫策橘，看成是使用同一個(gè)鎖對(duì)這些單個(gè)讀/寫操作做了同步.一般是共享變量在多線程中的使用，讓每個(gè)線程能夠及時(shí)了解共享變量的變化娜亿。（只能保證可見(jiàn)性丽已，并不能保證原子性，詳見(jiàn)注意）买决，應(yīng)用場(chǎng)景：單線程寫沛婴，多線程讀吼畏。

注意：volatile對(duì)于變量讀/寫具有原子性具有原子性，但是類似于volatile++復(fù)合操作不具有原子性嘁灯，可能會(huì)導(dǎo)致多線程拿到的共享變量不一致泻蚊。

Synchronized：可用于修飾類、方法丑婿、代碼塊的同步鎖性雄，只有獲取鎖的線程能夠執(zhí)行，其他嘗試獲取鎖的線程均被阻塞羹奉。是重量級(jí)鎖秒旋。（可重入，依賴JVM實(shí)現(xiàn)）（非公平鎖）（保證了可見(jiàn)性和原子性）诀拭，應(yīng)用場(chǎng)景：多線性讀寫迁筛。

sychronied修飾普通方法：對(duì)象鎖，同一對(duì)象的對(duì)象鎖是干擾的耕挨，不同對(duì)象實(shí)例的對(duì)象鎖是互不干擾的

sychronied修飾靜態(tài)方法或類：類鎖细卧，由于類只有一個(gè)（一個(gè)class對(duì)象），類鎖是互相干擾的俗孝。

可見(jiàn)性是指當(dāng)多個(gè)線程訪問(wèn)同一個(gè)變量時(shí)，一個(gè)線程修改了這個(gè)變量的值赋铝，其他線程能夠立即看得到修改的值插勤。

ReentrantLock：可重入鎖，自己實(shí)現(xiàn)革骨。（可自定義設(shè)置公平或非公平）农尖。

PS：synchronized 是 JVM 實(shí)現(xiàn)的，而 ReentrantLock 是 JDK 實(shí)現(xiàn)的良哲。

上面有了解到根據(jù)鎖的狀態(tài)可以劃分為3種盛卡，這里加上無(wú)鎖狀態(tài)的也可以稱鎖有四種狀態(tài)：無(wú)鎖狀態(tài)，偏向鎖狀態(tài)筑凫，輕量級(jí)鎖狀態(tài)和重量級(jí)鎖狀態(tài)滑沧，它會(huì)隨著競(jìng)爭(zhēng)情況逐漸升級(jí)。鎖可以升級(jí)但不能降級(jí)巍实，目的是為了提高獲得鎖和釋放鎖的效率滓技。

鎖的狀態(tài)是存放在對(duì)象頭中的。對(duì)象頭的狀態(tài)可能隨著對(duì)象在運(yùn)行過(guò)重發(fā)生改變棚潦。即鎖的狀態(tài)可能會(huì)發(fā)生變化令漂。所以引入了鎖的這4種狀態(tài)。

鎖狀態(tài):?無(wú)鎖、偏向鎖叠必、輕量級(jí)鎖荚孵、重量級(jí)鎖。

無(wú)鎖:不鎖住資源纬朝，多個(gè)線程只有一個(gè)能修改資源成功旭等，其他線程會(huì)重試损敷。

偏向鎖:它會(huì)偏向于第一個(gè)訪問(wèn)鎖的線程，如果在運(yùn)行過(guò)程中，同步鎖只有一個(gè)線程訪問(wèn)玷犹，不存在多線程爭(zhēng)用的情況粱锐，則線程是不需要觸發(fā)同步的篮洁，這種情況下邑商，就會(huì)給線程加一個(gè)偏向鎖。單線程場(chǎng)景患膛。（應(yīng)用場(chǎng)景：幾乎無(wú)競(jìng)爭(zhēng)的情況下摊阀。）ps：同一線程執(zhí)行同步資源時(shí)自動(dòng)獲取。

偏向鎖→輕量級(jí)鎖：在大多數(shù)情況下一個(gè)鎖是同一線程使用的踪蹬，在線程拿鎖的過(guò)程中不進(jìn)行CAS操作只簡(jiǎn)單檢查上個(gè)拿鎖線程是否是自己（因?yàn)槠蜴i對(duì)象頭有線程ID）胞此，直接給偏向鎖線程。

輕量級(jí)鎖:輕量級(jí)鎖是由偏向所升級(jí)來(lái)的跃捣，偏向鎖運(yùn)行在一個(gè)線程進(jìn)入同步塊的情況下漱牵，當(dāng)?shù)诙€(gè)線程加入鎖爭(zhēng)用的時(shí)候，偏向鎖就會(huì)升級(jí)為輕量級(jí)鎖疚漆。（應(yīng)用場(chǎng)景:輕度競(jìng)爭(zhēng)的情況下酣胀。比如臨界訪問(wèn)。?ps:多線程爭(zhēng)奪同步資源時(shí)娶聘，沒(méi)拿到鎖的線程自旋等待資源鎖釋放闻镶。

輕量級(jí)→重量級(jí)：假如前一個(gè)拿鎖的線程運(yùn)行很快，后一個(gè)輕量級(jí)鎖線程就使用CAS操作自旋操作幾次丸升，拿到鎖即成功铆农，否則鎖撤銷并升級(jí)為重量級(jí)鎖。（可看出有鎖撤銷的額外操作狡耻，一般使用輕量級(jí)鎖最多墩剖。）

重量級(jí)鎖:僅持有鎖的對(duì)象能夠運(yùn)行，其他競(jìng)爭(zhēng)對(duì)象均阻塞夷狰。（應(yīng)用場(chǎng)景：多線程競(jìng)爭(zhēng)激烈涛碑。）ps：多線程競(jìng)爭(zhēng)同步資源時(shí)，沒(méi)拿到鎖的線程阻塞等待被喚醒孵淘。

synchronized鎖優(yōu)化引用了這些狀態(tài)變化。優(yōu)化性能（因?yàn)樯舷挛那袚Q性能損耗遠(yuǎn)大于運(yùn)算歹篓，鎖優(yōu)化的核心思想就是盡量避免上下文切換進(jìn)行操作）瘫证。synchronized是JVM層次實(shí)現(xiàn)的揉阎，已做過(guò)大量?jī)?yōu)化，官方推薦的形式背捌。