CAS（Compare and swap）比較和替換是設(shè)計(jì)并發(fā)算法時(shí)用到的一種技術(shù)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，比較和替換是使用一個(gè)期望值和一個(gè)變量的當(dāng)前值進(jìn)行比較，如果當(dāng)前變量的值與我們期望的值相等，就使用一個(gè)新值替換當(dāng)前變量的值。這聽(tīng)起來(lái)可能有一點(diǎn)復(fù)雜但是實(shí)際上你理解之后發(fā)現(xiàn)很簡(jiǎn)單，接下來(lái)，讓我們跟深入的了解一下這項(xiàng)技術(shù)。

CAS的使用場(chǎng)景

在程序和算法中一個(gè)經(jīng)常出現(xiàn)的模式就是“check and act”模式。先檢查后操作模式發(fā)生在代碼中首先檢查一個(gè)變量的值，然后再基于這個(gè)值做一些操作。下面是一個(gè)簡(jiǎn)單的示例：

class MyLock {
  private boolean locked = false;
  public boolean lock() {
    if(!locked) {
      locked = true;
      return true;
    }
    return false;
  }
}

上面這段代碼，如果用在多線程的程序會(huì)出現(xiàn)很多錯(cuò)誤，不過(guò)現(xiàn)在請(qǐng)忘掉它。

如你所見(jiàn)，lock()方法首先檢查locked>成員變量是否等于false，如果等于，就將locked設(shè)為true。

如果同個(gè)線程訪問(wèn)同一個(gè)MyLock實(shí)例，上面的lock()將不能保證正常工作。如果一個(gè)線程檢查locked的值，然后將其設(shè)置為false，與此同時(shí)，一個(gè)線程B也在檢查locked的值，又或者，在線程A將locked的值設(shè)為false之前。因此，線程A和線程B可能都看到locked的值為false，然后兩者都基于這個(gè)信息做一些操作。

為了在一個(gè)多線程程序中良好的工作，”checkthenact”操作必須是原子的。原子就是說(shuō)”check“操作和”act“被當(dāng)做一個(gè)原子代碼塊執(zhí)行。不存在多個(gè)線程同時(shí)執(zhí)行原子塊。

下面是一個(gè)代碼示例，把之前的lock()方法用synchronized關(guān)鍵字重構(gòu)成一個(gè)原子塊。

class MyLock {
  private boolean locked = false;
  public synchronized boolean lock() {
    if(!locked) {
      locked = true;
      return true;
    }
    return false;
  }
}

現(xiàn)在lock()方法是同步的，所以，在某一時(shí)刻只能有一個(gè)線程在同一個(gè)MyLock實(shí)例上執(zhí)行它。

原子的lock方法實(shí)際上是一個(gè)”compare and swap“的例子。

CAS用作原子操作

現(xiàn)在CPU內(nèi)部已經(jīng)執(zhí)行原子的CAS操作。Java5以來(lái)，你可以使用java.util.concurrent.atomic包中的一些原子類來(lái)使用CPU中的這些功能。

下面是一個(gè)使用AtomicBoolean類實(shí)現(xiàn)lock()方法的例子：

public static class MyLock {
  private AtomicBoolean locked = new AtomicBoolean(false);
  public boolean lock() {
    return locked.compareAndSet(false, true);
  }
}

locked變量不再是boolean類型而是AtomicBoolean。這個(gè)類中有一個(gè)compareAndSet()方法，它使用一個(gè)期望值和AtomicBoolean實(shí)例的值比較，和兩者相等，則使用一個(gè)新值替換原來(lái)的值。在這個(gè)例子中，它比較locked的值和false，如果locked的值為false，則把修改為true。

如果值被替換了，compareAndSet()返回true，否則，返回false。

使用Java5+提供的CAS特性而不是使用自己實(shí)現(xiàn)的的好處是Java5+中內(nèi)置的CAS特性可以讓你利用底層的你的程序所運(yùn)行機(jī)器的CPU的CAS特性。這會(huì)使還有CAS的代碼運(yùn)行更快。

總結(jié)

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