CAS机制详解

浅浅的花香味﹌ 2022-01-05 11:04 426阅读 0赞

*  1. 定义
 *  2. 实现原理
 *  3. 无版本号CAS实战说明
 *  4. CAS机制在Java中的应用
 *  5. CAS的缺点
    
     *  1. CPU开销过大
     *  2. 不能保证代码块的原子性
     *  3. ABA问题
 *  6. JAVA中CAS的底层实现
    
     *  1. AtomicInteger当中常用的自增方法incrementAndGet
     *  2. compareAndSet方法的实现，以及方法所依赖对象的来历
 *  7. CAS的ABA问题原理
 *  8. CAS中ABA问题解决方案
    
     *  1. 添加版本号
     *  2. java语言CAS底层如何实现？
     *  3. 什么是ABA问题？怎么解决？
 *  9. 参考

## 1. 定义 ##

> CAS是英文单词Compare and Swap的缩写，翻译过来就是比较并替换。

## 2. 实现原理 ##

>  *  CAS机制中使用了3个基本操作数：内存地址V，旧的预期值A，要修改的新值B。
>     
>      *  更新一个变量的时候，只有当变量的预期值A和内存地址V当中的实际值相同时，才会将内存地址V对应的值修改为B。

## 3. 无版本号CAS实战说明 ##

1.  在内存地址V当中，存储着值为10的变量。  
       ![cas01][]
2.  此时线程1想把变量的值增加1.对线程1来说，旧的预期值A=10，要修改的新值B=11.  
    ![cas02][]
3.  在线程1要提交更新之前，另一个线程2抢先一步，把内存地址V中的变量值率先更新成了11。  
    ![cas03][]
4.  线程1开始提交更新，首先进行A和地址V的实际值比较，发现A不等于V的实际值，提交失败。  
    ![cas04][]
5.  线程1重新获取内存地址V的当前值，并重新计算想要修改的新值。此时对线程1来说，A=11，B=12。这个重新尝试的过程被称为**自旋**。  
    ![cas05][]
6.  这一次比较幸运，没有其他线程改变地址V的值。线程1进行**Compare**，发现A和地址V的实际值是相等的。  
    ![cas06][]
7.  线程1进行**SWAP**，把地址V的值替换为B，也就是12。  
    ![cas07][]

>  *  从思想上来说，Synchronized属于**悲观锁**，悲观的认为程序中的并发情况严重，所以严防死守
>  *  CAS属于**乐观锁**，乐观地认为程序中的并发情况不那么严重，所以让线程不断去重试更新。

## 4. CAS机制在Java中的应用 ##

>  *  在Java中除了上面提到的Atomic系列类，还有Lock系列类的底层实现
>  *  在Java 1.6以上版本，Synchronized转变为重量级锁之前，也会采用CAS机制。

## 5. CAS的缺点 ##

### 1. CPU开销过大 ###

> 在并发量比较高的情况下，如果许多线程反复尝试更新某一个变量，却又一直更新不成功，循环往复，会给CPU带来很到的压力。

### 2. 不能保证代码块的原子性 ###

>  *  CAS机制保证的只有一个变量的原子性操作，而不能保证整个代码块的原子性。
>     
>      *  比如需要保证3个变量共同进行原子性的更新，就不得不使用Synchronized了。

### 3. ABA问题 ###

> 这是CAS机制最大的问题所在。

## 6. JAVA中CAS的底层实现 ##

### 1. AtomicInteger当中常用的自增方法incrementAndGet ###

public final int incrementAndGet() { for (;;) { int current = get(); int next = current + 1; if (compareAndSet(current, next)) return next; } } private volatile int value; public final int get() { return value; } 这段代码是一个无限循环，也就是CAS的自旋，循环体中做了三件事： 1. 获取当前值 2. 当前值+1，计算出目标值 3. 进行CAS操作，如果成功则跳出循环，如果失败则重复上述步骤

>  *  这里需要注意的重点是get方法，这个方法的作用是获取变量的当前值。
>  *  如何保证获取的当前值是内存中的最新值？
>     
>      *  用**volatile**关键字来保证（保证线程间的可见性）。

### 2. compareAndSet方法的实现，以及方法所依赖对象的来历 ###

public final boolean compareAndSet(int expect, int update) { return unsafe.cmpareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update); } private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe(); private static final long valueOffset; static { try { valueOffset = unsafe.objectFieldOffset (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value")); }catch (Exception ex) { throw new Error(ex); } }

compareAndSet方法的实现很简单，只有一行代码。这里涉及到两个重要的对象，一个是**unsafe**，一个是**valueOffset**。

*  什么是unsafe呢？
    
     *  Java语言不像C，C++那样可以直接访问底层操作系统，但是JVM为我们提供了一个后门，这个后门就是unsafe。unsafe为我们提供了**硬件级别的原子操作**。

至于valueOffset对象，是通过unsafe.objectFiledOffset方法得到，所代表的是**AtomicInteger对象value成员变量在内存中的偏移量**。我们可以简单的把valueOffset理解为value变量的内存地址。

我们上面说过，CAS机制中使用了3个基本操作数：**内存地址V，旧的预期值A，要修改的新值B**。

而unsafe的compareAndSwapInt方法的参数包括了这三个基本元素：valueOffset参数代表了V，expect参数代表了A，update参数代表了B。

> 正是unsafe的compareAndSwapInt方法保证了Compare和Swap操作之间的原子性操作。

## 7. CAS的ABA问题原理 ##

1.  假设内存中有一个值为A的变量，存储在地址V中。  
         ![cas08][]
2.  此时有三个线程想使用CAS的方式更新这个变量的值，每个线程的执行时间有略微偏差。线程1和线程2已经获取当前值，线程3还未获取当前值。  
    ![cas09][]
3.  线程1先一步执行成功，把当前值成功从A更新为B；同时线程2因为某种原因被阻塞住，没有做更新操作；线程3在线程1更新之后，获取了当前值B。  
    ![cas10][]
4.  线程2仍然处于阻塞状态，线程3继续执行，成功把当前值从B更新成了A。  
    ![cas11][]
5.  线程2终于恢复了运行状态，由于阻塞之前已经获得了“当前值A”，并且经过compare检测，内存地址V中的实际值也是A，所以成功把变量值A更新成了B。  
    ![cas12][]

这个过程中，线程2获取到的变量值A是一个旧值，尽管和当前的实际值相同，但内存地址V中的变量已经经历了A->B->A的改变。

**看起来这个例子没啥问题，但如果结合实际，就可以发现它的问题所在。**

1.  我们假设一个提款机的例子。假设有一个遵循CAS原理的提款机，小灰有100元存款，要用这个提款机来提款50元。  
    ![cas13][]
2.  由于提款机硬件出了点问题，小灰的提款操作被同时提交了两次，开启了两个线程，两个线程都是获取当前值100元，要更新成50元。  
    理想情况下，应该一个线程更新成功，一个线程更新失败，小灰的存款值被扣一次。  
    ![cas14][]
3.  线程1首先执行成功，把余额从100改成50.线程2因为某种原因阻塞。这时，小灰的妈妈刚好给小灰汇款50元。  
    ![cas15][]
4.  线程2仍然是阻塞状态，线程3执行成功，把余额从50改成了100。  
    ![cas16][]
5.  线程2恢复运行，由于阻塞之前获得了“当前值”100，并且经过compare检测，此时存款实际值也是100，所以会成功把变量值100更新成50。  
    ![cas17][]

**原本线程2应当提交失败，小灰的正确余额应该保持100元，结果由于ABA问题提交成功了。**

## 8. CAS中ABA问题解决方案 ##

### 1. 添加版本号 ###

> 真正要做到严谨的CAS机制，在compare阶段不仅要比较期望值A和地址V中的实际值，还要比较变量的版本号是否一致。

1.  假设地址V中存储着变量值A，当前版本号是01。线程1获取了当前值A和版本号01，想要更新为B，但是被阻塞了。  
    ![cas18][]
2.  这时候，内存地址V中变量发生了多次改变，版本号提升为03，但是变量值仍然是A。  
    ![1511344-20190527110317825-452321039.png][]
3.  随后线程1恢复运行，进行compare操作。经过比较，线程1所获得的值和地址的实际值都是A，但是版本号不相等，所以这一次更新失败。  
    ![1511344-20190527110340245-1067248995.png][]

> 在Java中，**AtomicStampedReference**类就实现了用版本号作比较的CAS机制。

### 2. java语言CAS底层如何实现？ ###

> 利用unsafe提供的原子性操作方法。

### 3. 什么是ABA问题？怎么解决？ ###

>  *  当一个值从A变成B，又更新回A，普通CAS机制会误判通过检测。
>     
>      *  利用版本号比较可以有效解决ABA问题。

## 9. 参考 ##

>  *  [漫画：什么是 CAS 机制？][CAS]
>  *  [漫画：什么是CAS机制？（进阶篇）][CAS 1]
>  *  [什么是CAS机制？][CAS 2]
>  *  [Java并发编程：volatile关键字解析][Java_volatile]

转载于:https://www.cnblogs.com/yueyun00/p/10929211.html

[cas01]: /images/20211229/dec918917860451bb267727d7779a960.png
[cas02]: /images/20211229/f94a79c8ffe94895b5af4e89fc4fb67b.png
[cas03]: /images/20211229/ea82a04673014f63b56752f35af0125d.png
[cas04]: /images/20211229/e718a673417c4f62913e6cceebc02882.png
[cas05]: /images/20211229/f600a27719e249c3b43d70d90c2e35e4.png
[cas06]: /images/20211229/c16a3859eca14162807f148fe0d68508.png
[cas07]: /images/20211229/61ee4bbd2e8f4d5cb0724366dc9f5a78.png
[cas08]: /images/20211229/2f799cb2e69d4081afc71bbee674ab9d.png
[cas09]: /images/20211229/123dbe3e559c48f8b0a6714f287eb6b9.png
[cas10]: /images/20211229/4ca68c74c04a4e7b840c1e24d32fb14d.png
[cas11]: /images/20211229/db5cb9587af4490492e5f2d7d217a820.png
[cas12]: /images/20211229/c4cb9771cd3c4c07a9a92b3a2562c5fa.png
[cas13]: /images/20211229/46cb0fe10ed9401fb3575c10bc4b1a98.png
[cas14]: /images/20211229/8fe7e8cadc7b4c7788bf6d4b8a59508f.png
[cas15]: /images/20211229/b8af00eb46224aa48f9dddc4ca62b884.png
[cas16]: /images/20211229/5413b6e4b9b44f3d98216a54fb538d6a.png
[cas17]: /images/20211229/3a49b08a6f194ab99ad0c4ab4c161e69.png
[cas18]: /images/20211229/8a3e8d5a44cc4eaeadd14fa07e999d1f.png
[1511344-20190527110317825-452321039.png]: /images/20211229/09cb2bdca7574fbb8a7f6aef38258d71.png
[1511344-20190527110340245-1067248995.png]: /images/20211229/0628163b9ae34d7d9a03c09ff0534321.png
[CAS]: https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzIxMjE5MTE1Nw==&mid=2653192625&idx=1&sn=cbabbd806e4874e8793332724ca9d454&chksm=8c99f36bbbee7a7d169581dedbe09658d0b0edb62d2cbc9ba4c40f706cb678c7d8c768afb666&scene=21#wechat_redirect
[CAS 1]: https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzIxMjE5MTE1Nw==&mid=2653192736&idx=1&sn=24d4054b062e28db9e54c735aafe2407&chksm=8c99f0fabbee79ecfd9198aa89bc78084e9b7db056078982975d8910c12b5d3dd1d16c2509c3&mpshare=1&scene=23&srcid=020903SQqmtv0yiUHSI1DuGd#rd
[CAS 2]: https://blog.csdn.net/qq_32998153/article/details/79529704
[Java_volatile]: https://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3920373.html