CAS是什麼？

CAS英文解釋是比較和交換，是cpu底層的源語，是解決共享變數原子性實現方案，它定義了三個變數，記憶體地址值對應V，期待值E和要修改的值U，如下圖所示，這些變數都是在快取記憶體中的，如果兩個執行緒A，B分別透過cas方式同時修改共享變數，假設當A執行緒先獲取時間片，如果發現V的值和E相等就將主記憶體值更新為U，如果不相等說明執行緒B線上程A更新之前已經成功更新過，執行緒A會失敗重試，此時根據快取一致性協議，執行緒A的本地副本會失效，需要從主記憶體再同步最新的變數到本地記憶體副本，在Java中透過呼叫UnSafe的compareAndSet類似方式呼叫，底層是c，反編譯後作業系統指令是cmpxchg指令。

你一定會有一個疑問，被 volatile 修飾的變數i，i++為什麼會有執行緒安全問題呢，也就是原子性的問題，我們還是舉一個經典的i++案例一步步分析吧！我們知道在多執行緒情況下volatile保證了共享變數的可見性，順序行，但唯獨不能保證原子性，原因是i++是一個複合操作，大致可以分成3步，1.先從主記憶體拿到最新的i值，2.將i加1這個操作儲存到運算元棧，3.從棧中取出i加1的值寫回到主記憶體。OK，當執行緒AB同時執行i++操作時，比如執行緒A先獲取時間片，執行完第2步，這是執行緒A還未執行完，時間片分配給執行緒B，B順利執行完所有操作後並同步了主記憶體，假設我們i的初始值是1，那麼此時主記憶體值是2，因為執行緒B執行完畢，cpu時間片又回到執行緒A手上，做第3步操作，此時同步到主記憶體的值還是2，看，執行緒A，B各做了一次加1的操作，但最終結果可能是2，cas的作用就來了，他能保證i++操作的原子性，為什麼能保證原子性呢？cas可以把上面三個操作合併成一個操作，是原子的。

大家都知道解決多執行緒安全需要用到鎖的，可以用 synchronized 來解決，但是synchronized也有它的劣勢，最主要是它是阻塞的，阻塞會有什麼問題？效能啊，這是計算機人不能忍的，頻繁核心外核切換，會嚴重浪費系統資源，所以就提了cas這個樂觀鎖概念，它是非阻塞的，作業系統不用在核心態與使用者態來回切換，相當於用while迴圈方式獲取鎖，在效能上有一定提升。即使這樣，也會有一定問題，下面我們來看看。

1.ABA問題。

這個案例比較簡單，執行緒A把共享變數i，從1變成2，再變成1，執行緒B想把i變成2，本來應該是不會成功，因為即時變數i現在是1，但是它的狀態變化了，他的解決方案是版本號。相當於修改成功一次版本號增加1，就可以解決了，曾經被面試官問到一個問題，cas是執行緒安全的嗎？答案不是執行緒安全的。

2.自旋時間過長。

如果一個執行緒拿到鎖後，一直不釋放，其他執行緒就只能一直迴圈等待。

3.只能保證一個共享變數的原子性。

像Automic包下面的基本上都只能保證一個變數的原子性。

可能有些童鞋看JDK原始碼會比較糾結一個點， 發現volatile關鍵字一般都會和cas連用，如果不要volatile會怎麼樣呢 ？cas本身只作用於方法，cas對共享變數沒有約束，如果不對共享變數做volatile修飾，是不可見的，不能夠保證共享變數的實效性，需要等待共享變數主動同步到主記憶體，這是需要花時間的，效率更低下，所有在JUC併發包裡一直可以看到這樣的 volatile關鍵字一般都會和cas 組合。

這篇文章，我們先引出了cas概念，並且說明了它的優缺點，做了案例介紹，簡單的和synchronized關鍵字做了比較，最後，深入的說明了 volatile關鍵字 和 cas連用的效率， 這是我在深入思考後得到的結論。