Java并发编程指南：深入理解无锁与CAS底层原理

作为乐观派的代表，CAS操作总是怀揣着必胜的信念。当多个线程同时对同一个变量执行CAS操作时，只会有一个胜出并成功更新，其余的都将以失败告终。不过，失败的线程并不会被挂起，它只是被告知操作失败，并允许再次尝试。当然，失败的线程也可以选择放弃操作，这一点从图中同样可以观察到。

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1. 无锁的概念

提起无锁（Lock-Free）概念，乐观主义者与悲观主义者总是被相提并论。在乐观主义者看来，事物总是倾向于往好的方向发展，认为糟糕情况发生的概率极低，因此他们可以无所顾忌地行动。然而，对于悲观主义者而言，他们总是担心如果发展趋势没有得到及时控制，未来将无法挽回，即使这种无法挽回的情况几乎不可能发生。

这两派观点被映射到并发编程中，就如同加锁（Locking）和无锁（Lock-Free）这两种策略。具体来说，加锁是一种悲观的策略，而无锁则是一种乐观的策略。

因为对于使用加锁的并发程序而言，它总是默认每次访问共享资源时必然会发生冲突，因此必须对每个数据操作实施加锁策略。

而无锁策略则总是假设在访问共享资源时没有冲突，线程可以在不加锁或等待的情况下继续运行。一旦检测到冲突，无锁策略会使用一种称为CAS的技术来确保线程执行的安全性，而这种CAS技术正是实现无锁策略的关键。

接下来，让我们深入探讨CAS技术的奥妙。

2. CAS

2.1 什么是CAS

CAS的全称是Compare And Swap，即比较并交换。其算法的核心思想如下：

它包含三个参数：

如果V的值等于E的值，则将V的值设置为N。如果V和E的值不同，则表示另一个线程已经进行了更新，当前线程什么也不做。通俗的理解是，CAS操作需要我们提供一个预期值。当预期值与当前线程手中的变量值相同时，说明没有其他线程修改过该值，当前线程可以进行修改，即执行CAS操作。但如果预期值与当前值不匹配，则说明该值已被其他线程修改。此时，不执行更新操作，但你可以选择重新读取变量并尝试再次修改，或者也可以放弃操作。

由于CAS操作属于乐观派，它总是相信自己能成功完成操作。当多个线程同时对同一个变量使用CAS操作时，只有一个会胜出并更新成功，其余的都将会失败。然而，失败的线程不会被挂起，只是被告知失败并允许再次尝试。当然，也允许失败的线程放弃操作，这一点从图中也可以看出。

基于这样的原理，即使在CAS操作中没有锁，它仍然能感知到其他线程的操作对共享资源的影响，并执行相应的处理措施。同时，从这一点也可以看出，由于无锁操作中没有锁，因此不可能出现死锁情况，也就是说，无锁操作天生免疫死锁。

2.2 CPU对CAS的指令支持

也许我们会有这样的疑问。假设有多个线程执行CAS操作，且CAS中有很多步骤。有没有可能在判断V和E相同之后，正要赋值的时候，线程被切换了，导致数值被改变，从而引发数据不一致？答案是肯定的否定，因为CAS是一条系统原语。原语属于操作系统术语的范畴。它由若干条指令组成，是用于完成特定功能的过程。而且，原语的执行必须是连续的，在执行过程中不允许被中断。也就是说，CAS是一条CPU的原子指令，不会导致所谓的数据不一致问题。