上一篇悲观锁中，我们讲到悲观锁的四种状态时，提到了“无锁”这种状态，并解释其有两种语义，一种是对共享资源不进行任何同步原语保护；另一种是共享资源会出现被竞争的情况，但是不使用操作系统同步进行保护，而是使用诸如CAS这种方式进行线程同步，这样能够尽量将获取锁释放锁的操作仅在用户空间内完成，大幅度减少操作系统用户态和内核态之间的切换次数，在很多情况下就能够提升程序性能，这也被称为“乐观锁”。

乐观与悲观

假设现在有多个线程想要操作同一个资源对象，很多人的第一反应就是使用互斥锁。但互斥锁的同步方式是悲观的，什么是“悲观”呢？简单来说，就是操作系统将会悲观地认为，如果不严格同步线程调用，那么一定会产生异常，所以互斥锁将会锁定资源，只供一个线程调用，而阻塞其他线程，让其他线程等待，因此，这种同步机制也叫做“悲观锁”。

但悲观锁不是在所有情况下都适用，比如在一些情况下，同步代码块执行的耗时远远小于线程切换的耗时，这样就很不划算。程序员们可能更加希望一些场景下，能够在用户态中对线程的切换进行管理，这样效率更高。所以，我们不想让操作系统那么“悲观”，每次都使用同步原语对共享资源进行锁定，而是希望让线程反复“乐观”地去尝试获取共享资源，如果发现空闲，那么使用，如果被占用，那么继续“乐观”地重试。

 

CAS

CAS (Compare And Swap)可以简单翻译为：比较然后交换。很多人都听说过CAS，但是对于它究竟是如何工作的?需要哪些外部支持?如何应用到业务中?可能并不是很了解，下面我就通过一个通俗的例子来进行介绍。

我们现在假设有一间房间，房门上挂着一块牌子，正面是0，反面是1，这块牌子代表房间是否被占用的状态。当显示0的时候，房间为空，谁都可以进入，当显示1时，则代表有人正在使用。在上面这个比喻里，房间就是共享资源，号码牌就是一把乐观锁，人就是线程。

假设此时A和B这两条线程都看到了牌子上显示的是0，于是争抢着去使用房间。但是A线程抢先获得了时间片，他第一个冲进房间并将这块牌子的状态改为1，此时B线程才冲过来，但是发现牌子上的状态已经被改为1，不过B线程没有放弃,不断回来看看牌子是否变回0。

这样，你应该就能够很容易地理解CAS，当共享资源的状态值为0的一瞬间，A、B线程读到了。此时这两条线程认为共享资源当前空闲未被占用，于是它们各自将会生成两个值。

1. old value，代表之前读到的资源对象的状态值

2. new value，代表想要将资源对象的状态值更新后的值

这里对AB线程来说，old value都是0，new value都是1。

此时AB线程争抢着去修改资源对象的状态值，然后占用它。假设A线程运气比较好，率先获得时间片时，他将old value与资源对象的状态值进行compare，发现一致，于是将牌子上的值swap为new value。而线程B没有那么幸运，它落后了一步，此时资源对象的状态值已经被A线程修改成了1，所以B线程在compare的时候，发现和自己预期的old value不一致，所以放弃swap操作。

但在实际应用中，我们不会让B线程就这么放弃，通常会使其自旋，自旋就是使其不断重试cas操作，通常会配置自旋次数来防止死循环。

下面我们用代码来展示一下CAS函数，非常简单，相信你一眼就能看懂。

int cas(long *addr, long oldValue, long newValue)if(* addr != old)return 0;*addr = new;return 1;
}

此时，细心的小伙伴就会发现，通过上面的描述，关于通过CAS来独占资源的设计似乎并不完善，存在一个严重漏洞!

因为看上去这个CAS函数本身没有进行任何同步措施，似乎还是存在线程不安全的问题。比如A线程看到牌子的状态是0，伸手去翻的一瞬间，很有可能B线程突然抢到时间片，将牌子翻成了1，但是线程A不知情，也将牌子翻到了1，这就出现了线程安全问题，AB线程同时获得了资源，好比两个人进入了更衣室，非常尴尬。

这么看来，一个有待解决的问题是，“比较数值是否一致并且修改数值”的这个动作，必须要么成功要么失败，不能存在中间状态，换句话说，CAS操作必须是原子性的。只有基于这个真理，我们前面的所有设想才能成立。

那么，如何实现CAS的原子性呢?所幸的是，各种不同架构的CPU都提供了指令级的CAS原子操作，比如在x86架构下，通过cmpxchg指令支持CAS，在ARM下，通过LL/SC来实现CAS。也就是说，既然CPU已经原生地支持了CAS，那么上层进行调用即可。现在，除了通过操作系统的同步原语(比如mutex)来有锁地实现线程同步(悲观)，通过CAS的方式我们能实现另一种无锁的同步机制(乐观)。

这些通过CAS来实现同步的工具，由于不会锁定资源，而且当线程需要修改共享资源对象时，总是会乐观地认为对象状态值没有被其他线程修改过，自己主动尝试去Compare And Set状态值，相较于上文提到的“悲观锁”，这种同步机制被称作“乐观锁”。

Java中的乐观锁编程

下面，我们就回到Java，来谈一谈在Java中，是如何利用CAS特性来进行乐观锁编程的。

我们了解了CAS，知道了它是由底层指令架构支持的，那么上层如何封装调用，我们如何将CAS应用到我们的代码中?很多同学对它的认知可能还是模糊的，下面我们就以一个简单的实际的例子，来加深对CAS及其应用的理解。

假设有一个简单的需求，你需要使用5条线程，将一个值，从0累加到800,你该怎么做?

首先我写一种错误的写法，不使用任何同步操作，那么一定会出现线程安全问题。

1 public static Integer num = 0;
2
3 public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
4     for (int i = 0; i <5 ; i++ ) {
5         Thread t = new Thread(new Runnable() {
6         @Override
7         public void run() {
8             while (num < 800) {
9             num++;
10         System.out.println(Thread.currentThread().getName() +":" + num);
11             }
12         }
13         });
14     t.start();
15     }
16 }

如何使用乐观锁实现呢?非常简单。我们要善用轮子。写过Java的同学应该都知道AtomicInteger这个类，它的底层通过CAS来实现了同步的计数器。我们可以将代码改成这样:

1 static AtomicInteger num = new AtomicInteger(0);
2
3 public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
4     for (int i = 0; i <5 ; i++ ) {
5         Thread t = new Thread(new Runnable() {
6         @Override
7         public void run() {
8             while (num.get() < 800) {
9             num++;
10            System.out.println(Thread.currentThread().getName() +":" + num);
11             }
12         }
13         });
14     t.start();
15     }
16 }

当然，写这段代码，实现这个功能不是我们的目的。我们需要关注的是AtomicInteger底层是如何通过CAS来做到无锁同步的。

AtomicInteger这个类的内容不多，主要的成员变量就是一个Unsafe类型的实例和一个Long类型的offset，这边注释也开门]见山，告诉我们使用Unsafe的CAS操作来对值进行更新。我们看incrementAndGet方法，可以看到直接调用了Unsafe对象的getAndAddInt方法，进一步点进去，可以看到确实就是调用了Unsafe的compareAndSwaplnt方法(CAS)。这里出现了一个循环，实际上这就是我之前提及的“自旋”。

我们可以看到compareAndSwap lnt()方法存在native修饰符，那么说明这是一个本地方法，和具体的平台实现相关。如果你的CPU是x86架构，那么事实上这个本地方法将会调用系统的cmpxchg指令。我们可以在openjdk源码中的hotspot/src/share/ vm/ pr ims /unsafe.cpp和hotspot/src/share/ vm/ runtime/Atomic.cpp路径下找到，这些本地方法是c++写的。

jbyte Atomic::cmpxchg(jbyte exchange_value, volatile jbyte*dest, jbyte
compare_value) {assert (sizeof(jbyte) == 1,"assumption.");uintptr_t dest_addr = (uintptr_t) dest;uintptr_t offset = dest_addr % sizeof(jint);volatile jint*dest_int = ( volatile jint*)(dest_addr - offset);// 对象当前值jint cur = *dest_int;// 当前值cur的地址jbyte * cur_as_bytes = (jbyte * ) ( & cur);// new_val地址jint new_val = cur;jbyte * new_val_as_bytes = (jbyte *) ( & new_val);// new_val 存 exchange_value，后面修改则直接从 new_val 中取值new_val_as_bytes[offset] = exchange_value;// 比较当前值与期待值，如果相同则更新，不同则直接返回while (cur_as_bytes[offset] == compare_value) {// 调用汇编指令 cmpxchg 执行 CAS 操作，期望值为 cur，更新为 new_valjint res = cmpxchg(new_val, dest_int, cur);if (res == cur) break;cur = res;new_val = cur;new_val_as_bytes[offset] = exchange_value;}// 返回当前值return cur_as_bytes[offset];
}

我们可以看到这边，调用了汇编指令。