技術標籤：JUCjava多執行緒

1. CAS是什麼

CAS的全稱為Compare-And-Swap ,它是一條CPU併發原語，它的功能是判斷記憶體某個位置的值是否為預期值，如果是則更改為新的值，否則繼續比較直到主記憶體和工作記憶體中的值一致為止，整個過程是原子的。

CAS併發原語體現在Java語言中就是sun.misc.Unsafe類中的各個方法。

呼叫Unsafe類中的CAS方法，JVM會幫我們實現CAS彙編指令。

這是一種完全依賴於硬體的功能，通過它實現了原子操作。

再次強調，由於CAS是一種系統原語，原語屬於作業系統用語範疇，是由若干條指令組成，用於完成某個功能的一個過程，並且原語的執行必須是連續的，在執行過程中不允許中斷，也就是說CAS是一條CPU的原子指令，不會造成所謂的資料不一致問題。

2. 比較並交換

1. 主實體記憶體中有1個5，此時有兩個執行緒要對其操作
2. A、B執行緒都對主實體記憶體的這個值進行了副本拷貝
3. A執行緒從主實體記憶體中取走的時候是5，要寫入主實體記憶體時發現主實體記憶體的值還是5，這說明沒有人動過，此時成功將值修改為2019
4. B執行緒當它要寫入主實體記憶體，判斷拿走的是否與主實體記憶體一致時，發現主實體記憶體的值已經被修改過了，則修改失敗，主實體記憶體的值保持不變。

public class CASDemo {
    public static void main(String[] args) {
        AtomicInteger atomicInteger =
 
 new AtomicInteger(5);
        System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(5, 2021) + "\t" + atomicInteger.get());
        System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(5, 2022) + "\t" + atomicInteger.get());
    }
}

結論：如果執行緒的期望值與主實體記憶體的真實值一樣，那就修改為更新值，返回true，如果不一樣，則修改失敗，返回false。

3. CAS的底層原理

Unsafe類加自旋

談談你對Unsafe的理解

AtomicInteger.java

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 6214790243416807050L;

    // setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updates
    private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
	
    // 表示該變數在記憶體中的偏移地址，因為Unsafe就是根據記憶體偏移地址獲取資料的
    private static final long valueOffset;

    static {
        try {
            valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
                (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
        } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
    }

    // value用volatile修飾，保證多執行緒之間的可見性
    private volatile int value;
    
    //...
}

Unsafe存在於sun.misc包中，是CAS的核心類

由於Java 方法無法直接訪問底層 ，所以需要通過本地（native）方法來訪問

而Unsafe類所有的方法都是native修飾的，它的內部方法可以像C的指標一樣直接操作記憶體

就是直接呼叫作業系統底層資源執行相應任務，相當於Java直接呼叫作業系統資源的中間類，所以Java中CAS的執行依賴於Unsafe類的方法

底層原理詳解

AtomicInteger.java

• this：代表當前物件
• valueOffset：記憶體偏移地址
• 1：需要變動的數量

Unsafe.class

• var1：代表當前物件
• var2：記憶體偏移地址
• var4：需要變動的數量
• var5：是通過var1跟var2找出的主記憶體中真實的值

1. AtomicInteger裡面的value原始值為3，即主記憶體中AtomicInteger的value為3，根據JMM模型，執行緒A和執行緒B分別在工作記憶體中持有一份值為3的value的副本
2. 執行緒A通過getIntVolatile(var1,var2)拿到value值3，這時執行緒A被掛起
3. 執行緒B也通過getIntVolatile(var1,var2) 拿到value值3，此時剛好執行緒B沒有被掛起並執行了compareAndSwapInt方法，結果比較記憶體中的值也是3，成功修改記憶體值為4，執行緒B打完收工 ，一切OK
4. 這時執行緒A恢復，執行compareAndSwapInt方法比較，發現自己手裡的數值和記憶體中的數字4不一致，說明該值已經被其他執行緒搶先修改了，A執行緒修改失敗，只能重新再來
5. 執行緒A重新獲取value值，因為變數value是volatile修飾，所以修改對其它的執行緒是可見的，執行緒A繼續執行compareAndSwapInt方法進行比較替換，直到成功

4. CAS缺點

1. 迴圈時間長開銷大

   在getAndAddInt方法中有個do while，如果CAS失敗，會一直進行嘗試，如果CAS長時間一直不成功，則會給CPU帶來很大的開銷。

2. 只能保證一個共享變數的原子操作

   對一個共享變數執行操作時，我們可以使用CAS的方式來保證原子性，但是對多個共享變數操作時，迴圈CAS就無法保證操作的原子性了，這個時候就需要用鎖來保證原子性

3. 引出來ABA問題？

總結：

1. synchronized加鎖，一致性保證，併發性下降
2. CAS不加鎖，保證一致性，但是需要多次比較，耗費時間長，開銷較大。