java并发之CAS(Compare and swap)

悠悠 2024-03-16 17:45 20阅读 0赞

#### 1. 简介 ####

CAS的底层调用native方法，最终是利用CPU的一个特殊指令，该指令由CPU保证了原子性，而且包含多个操作，比如先比较再更新。

原理：

*  （1）需要读写的内存值（V）、原值（A）和新值(B)。如果V的值与原值A相匹配，那么把B设置给V，否则处理器不做任何操作。
 *  （2）无论哪种情况，都返回V内存值。
 *  （3）原子类里，当失败时，就一直循环，直到成功。

> （1）、（2）是在CPU和内存的层面来说的，（3）是在Java层面说的

比如 AtomicInteger中的源码中，就使用到了 CAS：

public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
        
        int var5;
        do {
        
            var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
        } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));
    
        return var5;
    }

#### 2. CAS的等价代码 ####

自己实现CAS:

/**
      *      模拟CAS操作，等价代码
     */
    public class SimulatedCAS {
        
        private int value;
    
        /**
         * 模拟CAS操作
         * @param expectedValue 预期值
         * @param newValue 修改值
         * @return 原值
         */
        public synchronized int compareAndSwap(int expectedValue, int newValue) {
        
            int oldValue = value;
    
            if (oldValue == expectedValue) {
        
                value = newValue;
            }
            return oldValue;
        }
    }

在多线程中调用上面自己实现的CAS：

/**
      *      两个线程竞争,其中一个修改落败
     */
    public class TwoThreadCompetition implements Runnable{
        
        private int value;
    
        /**
         * 模拟CAS操作
         * @param expectedValue 预期值
         * @param newValue 修改值
         * @return 旧值
         */
        public synchronized int compareAndSwap(int expectedValue, int newValue) {
        
            int oldValue = value;
    
            if (oldValue == expectedValue) {
        
                value = newValue;
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"将值从"+oldValue+"修改成"+newValue);
    
            }
            return oldValue;
        }
    
        //主函数
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        
            TwoThreadCompetition r = new TwoThreadCompetition();
            r.value=0;//默认值
            Thread thread1 = new Thread(r,"线程1");
            thread1.start();
            thread1.join();
            System.out.println(r.value);
            Thread thread2 = new Thread(r,"线程2");
            thread2.start();
            thread2.join();
            System.out.println(r.value);
        }
    
        @Override
        public void run() {
        
            compareAndSwap(0,1);
        }
    }

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打印结果显示，只有第一个线程对 value 进行了修改，第二个线程没有修改，符合CAS的逻辑。

#### 3. 应用场景 ####

##### （1）**乐观锁** #####

乐观锁的实现就是利用CAS原理，比如数据库在修改时，是利用version字段来判断是否应该执行修改，而不是加锁。

##### （2）并发容器 #####

如ConcurrentHashMap类中的`put()方法`…

![9b633f549d3529a2ba873985c8432a8e.png][]

##### （4）**原子类** #####

这里以 AtomicInteger 的 getAndIncrement()方法 为例剖析如何利用CAS实现原子性的

![060863db68e97a6b05b5819317e8c0c5.png][]

![0bf0462656a5be3cf8558bc966df26b0.png][]

![56d41aca8fd75c1a00fbe3a3741d2530.png][]

*  AtomicInteger加载`Unsafe`工具,用来`直接操作内存`数据
 *  用Unsafe工具来实现底层操作
 *  用volatile修饰value字段，保证可见性

###### 上面使用到了 Unsafe 类，那么他是个什么呢？ ######

*  Unsafe是CAS的核心类。Java一般无法直接访问底层操作系统，而是通过本地(native)方法来访问。不过尽管如此，JVM还是开了一个后门，JDK中有一个类Unsafe，它提供了硬件级别的原子操作。
 *  valueOffset表示的是变量值在内存中的偏移地址，因为Unsafe就是根据内存偏移地址获取数据的原值的，这样我们就能通过unsafe来实现CAS了

###### 总结： ######

总之，getAndIncrement() 的实现原理是：先获取 value 在内存中的地址，然后使用该地址拿到原值，再调用 compareAndSwapInt 方法，将内存地址value，原值，和新值传进去，执行 CAS 方法，compareAndSwapInt 是 native 方法，由c++实现，如下

![1495016af47def4100834fa525a7c300.png][]

上面的 C++ 代码可以看出：方法中先想办法拿到变量value在内存中的地址；通过Atomic::cmpxchg实现原子性的比较和替换，其中参数x是即将更新的值，参数e是原内存的值。至此，最终完成了CAS的全过程。

#### 4 CAS的缺点 ####

##### （1）ABA 问题 #####

###### 什么是ABA? ######

假若一个变量初次读取是A，在compare阶段依然是A，但其实可能从读取A到后面的compare这段过程里，它先被改为B，再被改回A，而CAS是无法意识到这个问题的。CAS只关注了比较那一刻的值是否A，而无法清楚在此过程中变量的变更明细，这就是所谓的ABA漏洞。

###### 如何解决ABA问题 ######

可以采用数据库的乐观锁方式，`采用version版本号`，每次修改就给version版本号+1

##### (2)自旋时间过长 #####

do-while的自旋循环，如果多线程竞争激烈的情况下，锁一直拿不到，他就会一直自旋，消耗CPU性能。

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