面试|详解CAS及其引发的三个问题
面试|详解CAS及其引发的三个问题
1.ABA问题; 2.自旋锁开销及jdk8解决方案; 3.单对象操作及解决。
1. CAS简介
在多线程编程的时候，为了保证多个线程对一个对象可以安全进行访问时,我们需要加同步锁synchronized,保证对象的在使用时的正确性，synchronized就是一种独占锁，它会导致所有需要此锁的线程挂起，等待锁的释放。
加锁会导致一下问题：
- 加多线程竞争下，加锁和释放锁会导致较多的上下文切换，引起性能问题。
- 多线程可以导致死锁的问题。
- 多线程持有的锁会导致其他需要此锁的线程挂起。
而乐观锁却是不加锁，那不加锁如何确保某一变量的操作没有被其他线程修改过？
这里就需要CAS操作（Compare And Swap）来实现。
CAS 操作包含三个操作数 —— 内存位置（V）、预期原值（A）和新值(B)。如果内存地址里面的值和A的值是一样的，那么就将内存里面的值更新成B。CAS是通过无限循环来获取数据的，若果在第一轮循环中，a线程获取地址里面的值被b线程修改了，那么a线程需要自旋，到下次循环才有可能机会执行。
在JVM中的CAS操作就是基于处理器的CMPXCHG汇编指令实现的，因此，JVM中的CAS的原子性是处理器保障的。
这里我们可以看一下JAVA的原子类AtomicLong.getAndIncrement()的实现，来理解一下CAS这一乐观锁（JDK 1.8）。
public final long getAndIncrement() {
return unsafe.getAndAddLong(this, valueOffset, 1L);
}
接着看一下 Unsafe.getAndAddLong()的实现：
public final long getAndAddLong(Object var1, long var2, long var4) {
long var6;
do {
var6 = this.getLongVolatile(var1, var2);
} while(!this.compareAndSwapLong(var1, var2, var6, var6 + var4));
return var6;
}
这里我们可以看到AtomicLong.getAndIncrement()的实现就是通过CAS循环操作的实现，只有期望值与真实值相同情况下，CAS操作才会成功执行，退出循环，如果失败则继续自旋，直到成功。
2. CAS引发的ABA问题
ABA问题是指在CAS操作时，其他线程将变量值A改为了B，但是又被改回了A，等到本线程使用期望值A与当前变量进行比较时，发现变量A没有变，于是CAS就将A值进行了交换操作，但是实际上该值已经被其他线程改变过，这与乐观锁的设计思想不符合。ABA问题的解决思路是，每次变量更新的时候把变量的版本号加1，那么A-B-A就会变成A1-B2-A3，只要变量被某一线程修改过，改变量对应的版本号就会发生递增变化，从而解决了ABA问题。在JDK的java.util.concurrent.atomic包中提供了AtomicStampedReference来解决ABA问题，该类的compareAndSet是该类的核心方法，实现如下：
public boolean compareAndSet(V expectedReference,
V newReference,
int expectedStamp,
int newStamp) {
Pair<V> current = pair;
return
expectedReference == current.reference &&
expectedStamp == current.stamp &&
((newReference == current.reference &&
newStamp == current.stamp) ||
casPair(current, Pair.of(newReference, newStamp)));
}我们可以发现，该类检查了当前引用与当前标志是否与预期相同，如果全部相等，才会以原子方式将该引用和该标志的值设为新的更新值，这样CAS操作中的比较就不依赖于变量的值了。
3. CAS导致自旋消耗
多个线程争夺同一个资源时，如果自旋一直不成功，将会一直占用CPU。
解决方法：破坏掉for死循环，当超过一定时间或者一定次数时，return退出。JDK8新增的LongAddr,和ConcurrentHashMap类似的方法。当多个线程竞争时，将粒度变小，将一个变量拆分为多个变量，达到多个线程访问多个资源的效果，最后再调用sum把它合起来。
虽然base和cells都是volatile修饰的，但感觉这个sum操作没有加锁，可能sum的结果不是那么精确。
public long sum() {
Cell[] as = cells; Cell a;
long sum = base;
if (as != null) {
for (int i = 0; i < as.length; ++i) {
if ((a = as[i]) != null)
sum += a.value;
}
}
return sum;
}4. CAS只能单变量
CAS的原子操作只能针对一个共享变量，假如需要针对多个变量进行原子操作也是可以解决的。
方法：CAS操作是针对一个变量的，如果对多个变量操作，1. 可以加锁来解决。2 .封装成对象类解决。