CAS底層原理

概念

CAS的全稱是Compare-And-Swap，它是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，這個過程是原子的

CAS併發原語體現在Java語言中就是sun.misc.Unsafe類的各個方法。呼叫UnSafe類中的CAS方法，JVM會幫我們實現出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，原語屬於作業系統應用範疇，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被中斷，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的問題，也就是說CAS是執行緒安全的。

程式碼使用

首先呼叫AtomicInteger建立了一個例項， 並初始化為10

// 建立一個原子類
AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(10);

然後呼叫CAS方法，企圖更新成2020，這裡有兩個引數，一個是10，表示期望值，第二個就是我們要更新的值

atomicInteger.compareAndSet(10, 2020)

然後再次使用了一個方法，同樣將值改成2021

atomicInteger.compareAndSet(10, 2021)

完整程式碼如下：

/**
 * CAS 比較並交換
 * @author xiao
 * @date 2020/4/23 9:14
 */
public class CASDemo {
    public static void main(String[] args) {
        AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(10);
        /**
         * 一個是期望值，一個是更新值，但期望值和原來的值相同時，才能夠更改
         * 假設拿的是10，也就是expect為5，然後我需要更新成 2020
         */
        System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(10, 2020)+"\t當前的值為:"+atomicInteger.get());
        System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(10, 2021)+"\t當前的值為:"+atomicInteger.get());
    }
}
 

上面程式碼的執行結果為

這是因為我們執行第一個的時候，期望值和原本值是滿足的，因此修改成功，但是第二次後，主記憶體的值已經修改成了2020，不滿足期望值，因此返回了false，本次寫入失敗

這個就類似於SVN或者Git的版本號，如果沒有人更改過，就能夠正常提交，否者需要先將程式碼pull下來，合併程式碼後，然後提交

CAS底層原理

首先我們先看看 atomicInteger.getAndIncrement()方法的原始碼

從這裡能夠看到，底層又呼叫了一個unsafe類的getAndAddInt方法

1、unsafe類

Unsafe是CAS的核心類，由於Java方法無法直接訪問底層系統，需要通過本地（Native）方法來訪問，Unsafe相當於一個後門，基於該類可以直接操作特定的記憶體資料。Unsafe類存在sun.misc包中，其內部方法操作可以像C的指標一樣直接操作記憶體，因為Java中的CAS操作的執行依賴於Unsafe類的方法。

注意Unsafe類的所有方法都是native修飾的，也就是說unsafe類中的方法都直接呼叫作業系統底層資源執行相應的任務

為什麼Atomic修飾的包裝類，能夠保證原子性，依靠的就是底層的unsafe類

2、變數valueOffset

表示該變數值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。

從這裡我們能夠看到，通過valueOffset，直接通過記憶體地址，獲取到值，然後進行加1的操作

3、變數value用volatile修飾

保證了多執行緒之間的記憶體可見性

var5：就是我們從主記憶體中拷貝到工作記憶體中的值

那麼操作的時候，需要比較工作記憶體中的值，和主記憶體中的值進行比較

假設執行 compareAndSwapInt返回false，那麼就一直執行 while方法，直到期望的值和真實值一樣

• val1：AtomicInteger物件本身
• var2：該物件值得引用地址
• var4：需要變動的數量
• var5：用var1和var2找到的記憶體中的真實值
  • 用該物件當前的值與var5比較
  • 如果相同，更新var5 + var4 並返回true
  • 如果不同，繼續取值然後再比較，直到更新完成

這裡沒有用synchronized，而用CAS，這樣提高了併發性，也能夠實現一致性，是因為每個執行緒進來後，進入的do while迴圈，然後不斷的獲取記憶體中的值，判斷是否為最新，然後在進行更新操作。

假設執行緒A和執行緒B同時執行getAndInt操作（分別跑在不同的CPU上）

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各自持有一份價值為3的副本，分別儲存在各自的工作記憶體
2. 執行緒A通過getIntVolatile(var1 , var2) 拿到value值3，這是執行緒A被掛起（該執行緒失去CPU執行權）
3. 執行緒B也通過getIntVolatile(var1, var2)方法獲取到value值也是3，此時剛好執行緒B沒有被掛起，並執行了compareAndSwapInt方法，比較記憶體的值也是3，成功修改記憶體值為4，執行緒B打完收工，一切OK
4. 這是執行緒A恢復，執行CAS方法，比較發現自己手裡的數字3和主記憶體中的數字4不一致，說明該值已經被其它執行緒搶先一步修改過了，那麼A執行緒本次修改失敗，只能夠重新讀取後在來一遍了，也就是在執行do while
5. 執行緒A重新獲取value值，因為變數value被volatile修飾，所以其它執行緒對它的修改，執行緒A總能夠看到，執行緒A繼續執行compareAndSwapInt進行比較替換，直到成功。

Unsafe類 + CAS思想： 也就是自旋，自我旋轉

底層彙編

Unsafe類中的compareAndSwapInt是一個本地方法，該方法的實現位於unsafe.cpp中

• 先想辦法拿到變數value在記憶體中的地址
• 通過Atomic::cmpxchg實現比較替換，其中引數X是即將更新的值，引數e是原記憶體的值

CAS缺點

CAS不加鎖，保證一次性，但是需要多次比較

• 迴圈時間長，開銷大（因為執行的是do while，如果比較不成功一直在迴圈，最差的情況，就是某個執行緒一直取到的值和預期值都不一樣，這樣就會無限迴圈）
• 只能保證一個共享變數的原子操作
  • 當對一個共享變數執行操作時，我們可以通過迴圈CAS的方式來保證原子操作
  • 但是對於多個共享變數操作時，迴圈CAS就無法保證操作的原子性，這個時候只能用鎖來保證原子性
• 引出來ABA問題？

ABA問題

總結

CAS

CAS是compareAndSwap，比較當前工作記憶體中的值和主實體記憶體中的值，如果相同則執行規定操作，否者繼續比較直到主記憶體和工作記憶體的值一致為止

CAS應用

CAS有3個運算元，記憶體值V，舊的預期值A，要修改的更新值B。當且僅當預期值A和記憶體值V相同時，將記憶體值V修改為B，否則不操