【Java】什么是CAS？深入理解CAS

古城微笑少年丶 2023-10-13 08:57 20阅读 0赞

#### 文章目录 ####

*  前言
 *  一、什么是CAS？
 *  二、为什么说CAS是乐观锁
 *  三、CAS原理
 *  四、CAS应用
 *  五、CAS指令和具体源代码

## 前言 ##

在java语言之前，并发就已经广泛存在并在服务器领域得到了大量的应用。所以硬件厂商老早就在芯片中加入了大量支持并发操作的原语（原语是由若干条指令组成的，用于完成一定功能的一个过程，具有不可分割性，即原语的执行必须是连续的，在执行过程中不允许被中断），从而在硬件层面提升效率。在intel的CPU中，使用cmpxchg指令。

在java发展初期，java语言是不能够利用硬件提供的这些便利来提升系统性能的。而随着java不断的发展，java本地方法（JNI）的出现，为java程序越过jvm直接调用本地方法提供了一种便捷的方式，因而java在并发的手段上也多了起来。而在Doug Lea提供的concurrent包中，CAS理论是他实现整个java并发包的基石。

## 一、什么是CAS？ ##

CAS是英文单词`Compare And Swap`的缩写，翻译过来就是**比较并替换**。  
CAS机制当中使用了3个基本操作数：`内存位置的值（V）、预期原值（A）和新值（B）`。  
如果内存位置的值与预期原值相匹配，那么处理器会自动将该位置更新为新值。否则，处理器不做任何操作。无论哪种情况，它都会在CAS指令之前返回该位置的值。CAS有效地说明了“我认为位置V应该包含值A；如果包含该值，则将B放到这个位置；否则，不要更改该位置，只告诉我这个位置现在的值即可。”

CAS是一种有名的无锁算法。无锁编程，即不适用锁的情况下实现多线程之间的变量同步，也就是在没有现成被阻塞的情况下实现变量的同步。

总结如下：

*  CAS（Compare And Swap）比较并替换，是线程并发运行时用到的一种技术
 *  CAS是原子操作，保证并发安全，而不能保证并发同步
 *  CAS是CPU的一个指令（需要JNI调用Native方法，才能调用CPU的指令）
 *  CAS是非阻塞的、轻量级的乐观锁

## 二、为什么说CAS是乐观锁 ##

乐观锁，严格来说并不是锁，通过原子性来保证数据的同步，比如说数据库的乐观锁，通过版本控制来实现，所以CAS不会保证线程同步。乐观的认为在数据更新期间没有其他线程影响。

## 三、CAS原理 ##

CAS（Compare And Swap）就是将内存值更新为需要的值，但是有个条件，内存值必须与期望值相同。举个例子，内存值V、期望值A、更新值B，当V == A的时候将V更新为B。

## 四、CAS应用 ##

由于CAS是CPU指令，我们只能通过JNI与操作系统交互，关于CAS的方法都在sun.misc包下Unsafe的类里，java.util.concurrent.atomic包下的原子类等通过CAS来实现原子操作。

## 五、CAS指令和具体源代码 ##

原子类例如AtomicInteger里的方法都很简单，我们看一下getAndIncrement方法：

//该方法功能是Interger类型加1
    public final int getAndIncrement() {
        
            //主要看这个getAndAddInt方法
            return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
        }
    
    //var1 是this指针
    //var2 是地址偏移量
    //var4 是自增的数值，是自增1还是自增N
    public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
        
            int var5;
            do {
        
                //获取内存值，这是内存值已经是旧的，假设我们称作期望值E
                var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
                //compareAndSwapInt方法是重点，
                //var5是期望值，var5 + var4是要更新的值
                //这个操作就是调用CAS的JNI,每个线程将自己内存里的内存值M
                //与var5期望值E作比较，如果相同将内存值M更新为var5 + var4,否则做自旋操作
            } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));
    
            return var5;
        }

解释一下getAndAddInt方法的流程：

假设有以下情景：

1.  A、B两个线程
2.  jvm主内存的值1，A、B工作内存的值为1（工作内存会拷贝一份主内存的值）
3.  当前期望值为1，做加1操作
4.  此时var5 = 1，var4 = 1；

*  A线程将var5与工作内存值M比较，比较var5是否等于1
 *  如果相同则将工作内存值修改为var5 + var4 即修改为2并同步到驻村，此时this + valueOffset指针里，示例变量value的值就是2，结束循环
 *  如果不相同，则是B线程修改了主内存的值，说明B线程已经先于A线程做了加1操作，A线程没有更新成功需要继续循环，注意此时var5更新为新的内存值，假设当前的内存值是2，那么此时var5 = 2，var + var4 = 3，重复上述步骤直到成功（自旋），成功之后，内存地址中的值就改变为3