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java/concurrence/CAS.md

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## 乐观锁与悲观锁
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我们都知道,cpu是时分复用的,也就是把cpu的时间片,分配给不同的thread/process轮流执行,时间片与时间片之间,需要进行cpu切换,也就是会发生进程的切换。切换涉及到清空寄存器,缓存数据。然后重新加载新的thread所需数据。当一个线程被挂起时,加入到阻塞队列,在一定的时间或条件下,在通过notify(),notifyAll()唤醒回来。
4-
**在某个资源不可用的时候,就将cpu让出,把当前等待线程切换为阻塞状态。等到资源(比如一个共享数据)可用了,那么就将线程唤醒,让他进入runnable状态等待cpu调度。这就是典型的悲观锁的实现。**独占锁是一种悲观锁,synchronized就是一种独占锁,它假设最坏的情况,认为一个线程修改共享数据的时候其他线程也会修改该数据,因此只在确保其它线程不会造成干扰的情况下执行,会导致其它所有需要锁的线程挂起,等待持有锁的线程释放锁。
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**在某个资源不可用的时候,就将cpu让出,把当前等待线程切换为阻塞状态。等到资源(比如一个共享数据)可用了,那么就将线程唤醒,让他进入runnable状态等待cpu调度。这就是典型的悲观锁的实现。** 独占锁是一种悲观锁,synchronized就是一种独占锁,它假设最坏的情况,认为一个线程修改共享数据的时候其他线程也会修改该数据,因此只在确保其它线程不会造成干扰的情况下执行,会导致其它所有需要锁的线程挂起,等待持有锁的线程释放锁。
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**但是,由于在进程挂起和恢复执行过程中存在着很大的开销**。当一个线程正在等待锁时,它不能做任何事,所以悲观锁有很大的缺点。举个例子,如果一个线程需要某个资源,但是这个资源的占用时间很短,当线程第一次抢占这个资源时,可能这个资源被占用,如果此时挂起这个线程,可能立刻就发现资源可用,然后又需要花费很长的时间重新抢占锁,时间代价就会非常的高。
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8-
所以就有了乐观锁的概念,他的核心思路就是,**每次不加锁而是假设修改数据之前其他线程一定不会修改,如果因为修改过产生冲突就失败就重试,直到成功为止。**在上面的例子中,某个线程可以不让出cpu,而是一直while循环,如果失败就重试,直到成功为止。所以,当数据争用不严重时,乐观锁效果更好。比如CAS就是一种乐观锁思想的应用。
8+
所以就有了乐观锁的概念,他的核心思路就是,**每次不加锁而是假设修改数据之前其他线程一定不会修改,如果因为修改过产生冲突就失败就重试,直到成功为止。** 在上面的例子中,某个线程可以不让出cpu而是一直while循环,如果失败就重试,直到成功为止。所以,当数据争用不严重时,乐观锁效果更好。比如CAS就是一种乐观锁思想的应用。
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## CAS
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**CAS 操作包含三个操作数 —— 内存位置(V)、预期原值(A)和新值(B)。执行CAS操作的时候,将内存位置的值与预期原值比较,如果相匹配,那么处理器会自动将该位置值更新为新值。否则,处理器不做任何操作。**
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举个CAS操作的应用场景的一个例子,当一个线程需要修改共享变量的值。完成这个操作,先取出共享变量的值赋给A,然后基于A的基础进行计算,得到新值B,完了需要更新共享变量的值了,这个时候就可以调用CAS方法更新变量值了。
1515

16-
在java中可以通过锁和循环CAS的方式来实现原子操作。Java中 java.util.concurrent.atomic包相关类就是 CAS的实现,atomic包里包括以下类:
16+
在java中可以通过锁和循环CAS的方式来实现原子操作。Java中`java.util.concurrent.atomic`包相关类就是 CAS的实现,atomic包里包括以下类:
1717

1818
| 类名 | 说明 |
1919
| ------------------------------------ | ---------------------------------------- |
2020
| **AtomicBoolean** | 可以用原子方式更新的 `boolean` 值。 |
2121
| **AtomicInteger** | 可以用原子方式更新的 `int` 值。 |
2222
| **AtomicIntegerArray** | 可以用原子方式更新其元素的 `int` 数组。 |
23-
| **AtomicIntegerFieldUpdater<T>** | 基于反射的实用工具,可以对指定类的指定 `volatile int` 字段进行原子更新。 |
23+
| **AtomicIntegerFieldUpdater<T\>** | 基于反射的实用工具,可以对指定类的指定 `volatile int` 字段进行原子更新。 |
2424
| **AtomicLong** | 可以用原子方式更新的 `long` 值。 |
2525
| **AtomicLongArray** | 可以用原子方式更新其元素的 `long` 数组。 |
26-
| **AtomicLongFieldUpdater<T>** | 基于反射的实用工具,可以对指定类的指定 `volatile long` 字段进行原子更新。 |
27-
| **AtomicMarkableReference<V>** | `AtomicMarkableReference` 维护带有标记位的对象引用,可以原子方式对其进行更新。 |
28-
| **AtomicReference<V>** | 可以用原子方式更新的对象引用。 |
29-
| **AtomicReferenceArray<E>** | 可以用原子方式更新其元素的对象引用数组。 |
30-
| **AtomicReferenceFieldUpdater<T,V>** | 基于反射的实用工具,可以对指定类的指定 `volatile` 字段进行原子更新。 |
31-
| **AtomicStampedReference<V>** | `AtomicStampedReference` 维护带有整数“标志”的对象引用,可以用原子方式对其进行更新。 |
26+
| **AtomicLongFieldUpdater<T\>** | 基于反射的实用工具,可以对指定类的指定 `volatile long` 字段进行原子更新。 |
27+
| **AtomicMarkableReference<V\>** | `AtomicMarkableReference` 维护带有标记位的对象引用,可以原子方式对其进行更新。 |
28+
| **AtomicReference<V\>** | 可以用原子方式更新的对象引用。 |
29+
| **AtomicReferenceArray<E\>** | 可以用原子方式更新其元素的对象引用数组。 |
30+
| **AtomicReferenceFieldUpdater<T,V\>** | 基于反射的实用工具,可以对指定类的指定 `volatile` 字段进行原子更新。 |
31+
| **AtomicStampedReference<V\>** | `AtomicStampedReference` 维护带有整数“标志”的对象引用,可以用原子方式对其进行更新。 |
3232

3333
下面我们来已AtomicIneger的源码为例来看看CAS操作:
3434

35-
```java
35+
``` java
3636
public final int getAndAdd(int delta) {
37-
for (;;) {
38-
int current = get();
39-
int next = current + delta;
40-
if (compareAndSet(current, next))
41-
return current;
42-
}
43-
}
37+
for (; ; ) {
38+
int current = get();
39+
int next = current + delta;
40+
if (compareAndSet(current, next))
41+
return current;
42+
}
43+
}
4444
```
4545

4646
这里很显然使用CAS操作(for(;;)里面),他每次都从内存中读取数据,+1操作,然后两个值进行CAS操作。如果成功则返回,否则失败重试,直到修改成功为止。上面源码最关键的地方有两个,一个for循环,它代表着一种宁死不屈的精神,不成功誓不罢休。还有就是compareAndSet:
4747

4848
```java
4949
public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
50-
return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
51-
}
50+
return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
51+
}
5252
```
5353

5454
compareAndSet方法内部是调用Java本地方法compareAndSwapInt来实现的,而compareAndSwapInt方法内部又是借助C来调用CPU的底层指令来保证在硬件层面上实现原子操作的。在intel处理器中,CAS是通过调用**cmpxchg**指令完成的。这就是我们常说的**CAS操作**(compare and swap)。

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