首先認(rèn)識一下Java CAS多線程：CAS是支持并發(fā)的第一個處理器提供原子的測試并設(shè)置操作，通常在單位上運行這項操作。操作數(shù)為V,A,B。

CAS 操作包含三個操作數(shù) —— 內(nèi)存位置(V)、預(yù)期原值(A)和新值(B)。如果內(nèi)存位置的值與預(yù)期原值相匹配，那么處理器會自動將該位置值更新為新值。否則，處理器不做任何操作。無論哪種情況，它都會在 CAS 指令之前返回該位置的值。(在 CAS 的一些特殊情況下將僅返回 CAS 是否成功，而不提取當(dāng)前值。)CAS 有效地說明了“我認(rèn)為位置 V 應(yīng)該包含值 A;如果包含該值，則將 B 放到這個位置;否則，不要更改該位置，只告訴我這個位置的值即可。”

CAS 是處理器級別的原語，也就是說單核情況下處理器可以保證 CAS 操作的原子性。

但事實是多核環(huán)境下，CAS 的原子性也是可以得到保證的。在單核環(huán)境下保證原子性的基礎(chǔ)上，多核情況下 CAS 通過以下方式保證操作的原子性：

1. 通過總線鎖，保證其修改動作的線程排他性。

2. 通過緩存一致性協(xié)議，保證處理器緩存中的值對其它核心的可見性。

3. 多核環(huán)境下通過 lock 內(nèi)存屏障，保證多線程下的有序性，并保證其值立即從寫緩沖區(qū)刷新到緩存，結(jié)合2,保證了操作結(jié)果對其它核心的可見性。

我們看一下 Intel X86 架構(gòu)下 CAS 的一段實現(xiàn)：

// Adding a lock prefix to an instruction on MP machine
// VC++ doesn't like the lock prefix to be on a single line
// so we can't insert a label after the lock prefix.
// By emitting a lock prefix, we can define a label after it.
#define LOCK_IF_MP(mp) __asm cmp mp, 0  \
                       __asm je L0      \
                       __asm _emit 0xF0 \
                       __asm L0:
inline jint     Atomic::cmpxchg    (jint     exchange_value, volatile jint*     dest, jint     compare_value) {
  // alternative for InterlockedCompareExchange
  int mp = os::is_MP();
  __asm {
    mov edx, dest
    mov ecx, exchange_value
    mov eax, compare_value
    LOCK_IF_MP(mp)
    cmpxchg dword ptr [edx], ecx
  }
}

程序會根據(jù)當(dāng)前處理器的類型來決定是否為cmpxchg指令添加lock前綴。如果程序是在多處理器上運行，就為cmpxchg指令加上lock前綴(lock cmpxchg)。反之，如果程序是在單處理器上運行，就省略lock前綴。

因為但處理器情況下，有序性有天然的保證。同時不需要強制將結(jié)果從緩沖區(qū)刷新入緩存，因為處理器在讀取值時會先從寫緩沖區(qū)中尋找，找不到才回去緩存中尋找，所以單核情況下無論是否將結(jié)果刷入緩存，操作結(jié)果都是對所有線程可見的。

可以看到 CAS 保證可見性與有序性的原理與 volatile 一樣，都是通過處理器提供的內(nèi)存屏障，盡管它們不在一個抽象層級的，這樣比較并不合適。

CAS 效率的一個重要影響因素是cache miss，如果 CAS 操作的內(nèi)存地址不在當(dāng)前處理器的緩存中的話，需要通過緩存一致性協(xié)議在其它處理器的緩存中尋找，如果都找不到則去內(nèi)存加載。最好情況下，也就是沒有發(fā)生 cache miss 的話，CAS 大概需要 60 個時鐘周期，而鎖操作在最好情況下需要大約 100 個時鐘周期(一個“round trip 對”包括獲取鎖和隨后的釋放鎖)，通常情況下 CAS 的效率是高于鎖操作的。

CAS 是一種樂觀鎖，再補充一下樂觀鎖與悲觀鎖：

悲觀鎖，正如其名，具有強烈的獨占和排他特性。它指的是對數(shù)據(jù)被外界(包括本系統(tǒng)當(dāng)前的其他事務(wù)，以及來自外部系統(tǒng)的事務(wù)處理)修改持保守態(tài)度。因此，在整個數(shù)據(jù)處理過程中，將數(shù)據(jù)處于鎖定狀態(tài)。悲觀鎖的實現(xiàn)，往往依靠數(shù)據(jù)庫提供的鎖機制(也只有數(shù)據(jù)庫層提供的鎖機制才能真正保證數(shù)據(jù)訪問的排他性，否則，即使在本系統(tǒng)中實現(xiàn)了加鎖機制，也無法保證外部系統(tǒng)不會修改數(shù)據(jù))。

之所以叫做悲觀鎖，是因為這是一種對數(shù)據(jù)的修改抱有悲觀態(tài)度的并發(fā)控制方式。我們一般認(rèn)為數(shù)據(jù)被并發(fā)修改的概率比較大，所以需要在修改之前先加鎖。悲觀并發(fā)控制實際上是“先取鎖再訪問”的保守策略，為數(shù)據(jù)處理的安全提供了保證。

樂觀鎖機制采取了更加寬松的加鎖機制。樂觀鎖是相對悲觀鎖而言，也是為了避免數(shù)據(jù)庫幻讀、業(yè)務(wù)處理時間過長等原因引起數(shù)據(jù)處理錯誤的一種機制，但樂觀鎖不會刻意使用數(shù)據(jù)庫本身的鎖機制，而是依據(jù)數(shù)據(jù)本身來保證數(shù)據(jù)的正確性。

相對于悲觀鎖，在對數(shù)據(jù)庫進行處理的時候，樂觀鎖并不會使用數(shù)據(jù)庫提供的鎖機制。一般的實現(xiàn)樂觀鎖的方式就是記錄數(shù)據(jù)版本。樂觀并發(fā)控制相信事務(wù)之間的數(shù)據(jù)競爭(data race)的概率是比較小的，因此盡可能直接做下去，直到提交的時候才去鎖定，所以不會產(chǎn)生任何鎖和死鎖。

每種機制都不是十全十美的，有優(yōu)點必然也有缺點，我們來看一下 CAS 的缺點：

1.cpu開銷大，在高并發(fā)下，許多線程，更新一變量，多次更新不成功，循環(huán)反復(fù)，給cpu帶來大量壓力。

2.只是一個變量的原子性操作，不能保證代碼塊的原子性。

3.ABA問題

ABA問題：內(nèi)存值V=100;

threadA 將50，改為0;

threadB 將50，改為0;

threadC 將0，改為50

正常情況下 A 執(zhí)行完 B 應(yīng)該失敗，但是如果 B 阻塞住了，期間 C 執(zhí)行成功，那么 A 與 B 都可以執(zhí)行成功，一次本應(yīng)該失敗的操作成功了。因為不是先上鎖再操作，所以我們不能保證線程對共享變量訪問的有序性(這可不是三大特性里的有序性)，這樣在實際生產(chǎn)過程中，因為每個操作都有自己的意義，亂序的訪問共享變量會導(dǎo)致操作錯誤。

比如一杯水，A喝完了，B倒?jié)M了，C又喝完了。C無法分辨杯子里的水有沒有被人喝過，項目中的邏輯很可能是如果杯子被人用過，C就不喝了，但是B將其倒?jié)M導(dǎo)致C無法對該條件進行正確的判斷。在特定情況下，我們不能只看數(shù)據(jù)的當(dāng)前值，也應(yīng)該看數(shù)據(jù)的狀態(tài)，我們可以為數(shù)據(jù)增加一個狀態(tài)--版本號來解決這個問題。

其實悲觀鎖也存在ABA問題，碰到這種情況也需要為數(shù)據(jù)增加一個狀態(tài)來監(jiān)控數(shù)據(jù)。但是悲觀鎖并不是根據(jù)數(shù)據(jù)的當(dāng)前狀態(tài)來判斷操作是否執(zhí)行的，而是有鎖的邏輯，所以我們在編寫程序時本身就不會出現(xiàn)原值被改過又被改回來所以我能執(zhí)行這種邏輯漏洞，我們會有其它控制位來調(diào)度線程的執(zhí)行。

在JDK1.5之后，Java程序中才可以使用CAS操作，該操作由sun.misc.Unsafe類里面的compareAndSwapInt()和compareAndSwapLong()等幾個方法包裝提供，虛擬機在內(nèi)部對這些方法做了特殊處理，即時編譯出來的結(jié)果就是一條平臺相關(guān)的處理器CAS指令，沒有方法調(diào)用的過程，或者可以認(rèn)為是無條件內(nèi)聯(lián)進去了。

由于Unsafe類不是提供給用戶提供調(diào)用的類(Unsafe.getUnsafe()的代碼中限制了只有啟動類加載器(Bootstrap ClassLoader)加載的Class才能訪問它)，因此，如果不采用反射手段，我們只能通過其他的Java API來間接使用它，如J.U.C包里面的整數(shù)原子類，其中的 compareAndSet()和 getAndIncrement()等方法都使用了 Unsafe 類的 CAS 操作。如果大家想了解更多相關(guān)知識，不妨來關(guān)注一下本站的Java多線程編程，里面還有更豐富的知識等著大家去學(xué)習(xí)，希望對大家能夠有所幫助。