CAS的超~详细介绍

深碍√TFBOYSˉ_ 2024-02-05 16:20 6阅读 0赞

## 什么是CAS ##

**CAS全称Compare and swap,是一种比较特殊的CPU指令. 字面意思:"比较并交换",**

一个CAS涉及到以下操作:

> 我们假设内存中的原数据为V,旧的预期值A,需要修改的新值B.
> 
> 1.比较A和V是否相等(比较)
> 
> 2.如果相等,将B写入V.(交换)
> 
> 3.返回操作是否成功.

**伪代码**

> 下面写的代码不是原子的,**真实的CAS是一个原子的硬件指令完成的**.**这个伪代码只是辅助理解CAS的工作流程**.

boolean CAS(address, expectValue, swapValue) {
        if(&address == expectedValue) {
            &address = swapValue;
            return true;
        }
        return false;
    }

其中,address表示内存地址,expectValue和swapValue表示寄存器中的值.

> 流程就是比较address内存地址中的值是否与expect寄存器中的值相同.如果相同,就把swap寄存器中的值和address中的值进行交换(**说是交换,实际上是赋值,其实完了之后我们往往只关注内存中的值,寄存器中的值,就不需要了**),返回true. 如果不同,无事发生,返回false.

## CAS是怎么实现的 ##

针对不同的操作系统,JVM用到了不同的CAS实现原理(操作系统对指令进行封装,JVM又对操作系统提供的api又封装了一层.),简单来讲:

> java的CAS利用的是unsafe这个类提供的CAS操作;(**这样的操作,涉及到一些系统底层内容,使用不当,可能会带来风险,一般不建议直接用CAS**)
> 
> unsafe的CAS依赖了的是jvm针对不同的操作系统实现的Atomic::cmpxchg
> 
> Atomic::cmpxchg的实现使用了汇编的CAS操作,并使用cpu硬件提供的lock机制保证其原子性.

简而言之,是因为**硬件予以支持,软件层面才能做到.**

## **CAS有哪些应用** ##

### 实现原子类 ###

标准库中提供了java.util.concurrent.atomic包,里面的类都是基于这种方式来实现的.典型的就是AtomicInteger类.其中getAndIncrement相当于i++操作.

AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);
    //相当于i++操作(但实际上只是一个指令,它天然是原子的)
    atomicInteger.getAndIncrement();

伪代码实现:

class AtomicInteger {
        private int value;
        
        public int getAndIncrement() {
            int oldValue = value;
            //发现value与oldValue不同.意味着CAS之前另一个线程修改了value
            //通过该方式,能意识到被修改
            while ( CAS(value, oldValue, oldValue + 1) != true) {
                oldValue = value;
            }
            //发现value被修改过,就重新读取新的value到OldValue中
            return oldValue;
        }
    }

假设两个线程同时调用getAndIncrement

> 1.两个线程都读取value的值到oldValue中.(oldValue是一个局部变量,在栈上.每个线程都有自己的栈)

![81b40e0c9a074f2b80b2998a255667f6.png][]

> 2.线程1先执行CAS操作,由于oldValue和value的值相同,直接对value进行赋值.
> 
> 注意:
> 
> CAS是直接读内存的,而不是操作寄存器.
> 
> CAS的读内存,比较,写内存是一条硬件指令,是原子的.

![b3d6cf5ce4d64b728daaf26a02656754.png][]

> 3.线程2再执行CAS操作,第一次CAS的时候发现oldValue和value不相等,不能进行赋值.因此需要进入循环.
> 
> 在循环里重新读取value的值赋给oldValue

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> 4.线程2接下来第二次执行CAS,此时oldValue和value相同,于是直接执行赋值操作.

![4e4d2ca92bc944d7a287f8d07de6866a.png][]

> 5.线程1和线程2返回各自的oldValue的值即可.
> 
> 通过形如上述代码就可以实现一个原子类.不需要使用重量级锁,就可以高效的完成多线程的自增操作.

### 实现自旋锁 ###

> **基于CAS实现更灵活的锁,获取到更多的控制权**.

public class SpinLock {
        private Thread owner = null;
        
        public void lock() {
            //通过CAS看当前锁是否被某个线程持有.
            //如果这个锁已经被别的线程持有,那么就自旋等待.
            //如果这个锁没有被别的线程持有,那么就把owner设为当前尝试加锁的线程
            while(!CAS(this.owner, null, Thread.currentThread())) {
                //当owner不为null的时候,循环就会一直执行下去,通过这样的"忙等"来完成等待效果
            }
             
            //阻塞式的等.让线程不参与cpu调度了,此处自旋式的等,没有放弃cpu
            //不会参与到调度,也就没有了调度开锁了.但缺点就是消耗了更多的cpu       
            public void unlock() {
                this.owner = null;
            }
        }
    }

## CAS的ABA问题 ##

### 什么是ABA问题 ###

ABA的问题:

假设存在两个线程t1,t2.有一个共享变量num,初始值为A.

接下来,线程t1想使用CAS把num变成Z,那么就需要

> **先读取num的值,记录到oldNum变量中**
> 
> **使用CAS判定当前num的值是否为A,如果为A,就要修改成Z.**

但是,在t1执行这两个操作之间,t2线程可能把num的值从A改成了B,又从B改成了A.

> 线程t1的CAS期望num不变就修改.但是num的值已经被t2给改了.只不过又改成A了.这个时候t1究竟是否要更改num的值为Z呢?

**到这一步,t1线程无法区别当前这个变量始终是A,还是经历了一个变化过程**.

![f256e7035c1a4801977bbc6b647e7ea1.png][]

这就好比,我们买一个手机,无法判定这个手机是刚出厂的新手机,还是别人用旧了,又翻新过的手机.

### ABA问题引来的BUG ###

大部分情况下,t2线程这样的一个反复横跳改动,对于t1是否修改num是没有影响的.但是不排除一些特殊情况.

> 假设一个人有1000元存款,他想从中取出500块钱.
> 
> 取钱的时候ATM卡了,按了一下没反应(t1),又按了一下(t2)还是没反应

按理来说这应该是正常的.

1.存款1000,线程1获取到当前存款值1000,期望更新为500;线程2获取到当前存款值1000,期望更新为500.

2.线程1执行成功.存款被改为500,线程2阻塞等待中.

3.轮到线程2执行了,发现当前存款为500,与之前读到的1000不同,执行失败.

**但如果出现了极端情况:比如中间有人给你转了500**.

这个时候线程2发现当前存款为1000,与1000相同,又扣款了一次.

> 这个时候,就被扣款了两次,这都是ABA问题搞的鬼!!

### 解决方案 ###

> **1.约定数据的变化是单向的(只能增加或者只能减少),不是双向的(既能增加又能减少)**
> 
> **2.给要修改的值,引入版本号.在CAS比较当前值与旧值的同时,也要比较版本号是否符合预期.**
> 
> (1)CAS操作在读取旧值的同时,也要读取版本号
> 
> (2)真正修改的时候,
> 
> 如果当前版本号和读到的版本号相同,就修改数据,并把版本号+1
> 
> 如果当前版本号高读到的版本号.就操作失败(认为数据已经被修改过了)

## 相关面试题 ##

1.讲解下你自己了解的CAS机制

> 全程Compare and swap, 即"比较并交换".相当于通过一个原子的操作,同时完成"读取内存,比较是否相等,修改内存"这三个步骤.本质上需要CPU指令的支撑

2.ABA问题怎么解决

> 给要修改的数据引入版本号.在CAS比较当前值和旧值的同时,也要比较版本号是否符合预期.如果返现当前版本号和之前读到的版本号一致,就真正执行修改操作,并让版本号自增;如果发现当前版本号比之前大,则视为操作失败

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