CAS

一、案例分析

在一个银行转账的案例中，100个线程对1000元的账户每个转出账10元，理论上最后账户剩下余额为0元，但是如果不加锁，会出现线程安全问题；

解决方法：

1.可以使用sync锁进行加锁操作，但是效率太低；

2.通过cas无锁优化，接下来具体来讲解一下cas

public void withdraw(Integer amount) {

        // 需要不断尝试，直到成功为止
        while (true) {
            // 比如拿到了旧值 1000
            int prev = balance.get();
            // 在这个基础上 1000-10 = 990
            int next = prev - amount;

            if (balance.compareAndSet(prev, next)) {
                break;
            }
        }
    }
}

说明

compareAndSet 在 set 前，先比较 prev 与当前值,不一致了，next 作废，返回 false 表示失败。

比如，别的线程已经做了减法，当前值已经被减成了990那么本线程的这次 990 就作废了，进入 while 下次循环重试一致，以 next 设置为新值，返回 true 表示成功。

其中的关键是 compareAndSet，它的简称就是 CAS （也有 Compare And Swap 的说法），它必须是原子操作。

上述图解

线程1从 Account 对象中获取余额100，并执行 -10 操作，但此时线程2已经将余额修改为 90 了，线程1 执行 compareAndSet(100,90) 方法时，发现自己拿到的最新值 100 与 Account 共享变量上的最新结果 90 对比，发现不一致，因此这次 CAS 操作失败返回 false，再次进入循环。

核心的思想就是采用不断尝试直至成功的方式来保护共享变量的线程安全。

注意:

• 其实 CAS 的底层是 lock cmpxchg指令（X86 架构），在单核 CPU 和多核 CPU 下都能够保证【比较-交换】的原子性。
• 在多核状态下，某个核执行到带lock的指令时，CPU 会让总线锁住，当这个核把此指令执行完毕，再开启总线。这个过程中不会被线程的调度机制所打断，保证了多个线程对内存操作的准确性，是原子的。

慢动作分析

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

import static site.weiyikai.thread.utils.Sleeper.sleep;

/**
 * @author xiaowei
 * @date 2022-11-03
 * @description 慢动作分析
 **/
@Slf4j(topic = "c.SlowMotion")
public class SlowMotion {
    public static void main(String[] args) {
        AtomicInteger balance = new AtomicInteger(10000);
        int mainPrev = balance.get();
        log.debug("try get {}",mainPrev);

        //线程1 修改
        new Thread(() -> {
            sleep(1);
            int prev = balance.get();
            balance.compareAndSet(prev,9000);
            log.debug(balance.toString());
        },"t1").start();

        sleep(2);
        log.debug("try set 8000...");

        //主线程修改
        //此时balance的值已经改为9000,cas失败
        boolean isSuccess = balance.compareAndSet(mainPrev, 8000);
        log.debug("is success?{}",isSuccess);
        if(!isSuccess) {
            //AtomicInteger内接收数值的变量用voltile修饰，每次都能获取到最新值
            mainPrev = balance.get();//9000
            log.debug("try set 8000...");
            isSuccess = balance.compareAndSet(mainPrev, 8000);
            log.debug("is success ? {}", isSuccess);
        }
    }
}

运行结果

18:42:17.068 c.SlowMotion [main] - try get 10000
18:42:18.097 c.SlowMotion [t1] - 9000
18:42:19.100 c.SlowMotion [main] - try set 8000...
18:42:19.100 c.SlowMotion [main] - is success?false
18:42:19.100 c.SlowMotion [main] - try set 8000...
18:42:19.100 c.SlowMotion [main] - is success ? true

二、volatile

获取共享变量时，为了保证该变量的可见性，需要使用 volatile 修饰。它可以用来修饰成员变量和静态成员变量，可以避免线程从自己的工作缓存中查找变量的值，而是必须到主存中获取它的值，线程操作 volatile 变量都是直接操作主存。即一个线程对 volatile 变量的修改，对另一个线程可见。
注意：volatile 仅仅保证了共享变量的可见性，让其他线程能够看到最新值，但不能解决指令交错问题（不能保证原子性）

CAS 必须借助 volatile 才能读取到共享变量的最新值来实现【比较并交换】的效果。

CAS的特点

结合 CAS 和 volatile 可以实现无锁并发，适用于线程数少、多核 CPU 的场景下。

• CAS 是基于乐观锁的思想：最乐观的估计，不怕别的线程来修改共享变量，就算改了也没关系，我吃亏点再重试呗。
• synchronized 是基于悲观锁的思想：最悲观的估计，得防着其它线程来修改共享变量，我上了锁你们都别想改，我改完了解开锁，你们才有机会。
• CAS 体现的是无锁并发、无阻塞并发，因为没有使用 synchronized，所以线程不会陷入阻塞，这是效率提升的因素之一，但如果竞争激烈，可以想到重试必然频繁发生，反而效率会受影响。

三、为什么无锁效率高

• 无锁情况下，即使重试失败，线程始终在高速运行，没有停歇，而synchronized 会让线程在没有获得锁的时候，发生上下文切换，进入阻塞。

  打个比喻线程就好像高速跑道上的赛车，高速运行时，速度超快，一旦发生上下文切换，就好比赛车要减速、熄火，等被唤醒又得重新打火、启动、加速… 恢复到高速运行，代价比较大。

• 但无锁情况下，因为线程要保持运行，需要额外 CPU 的支持，CPU 在这里就好比高速跑道，没有额外的跑道，线程想高速运行也无从谈起，虽然不会进入阻塞，但由于没有分到时间片，仍然会进入可运行状态，还是会导致上下文切换。