Java工程师面试1000题225-CAS原理解析

225、CAS原理解析

在计算机科学中，比较和交换（Conmpare And Swap）是用于实现多线程同步的原子指令。 它将内存位置的内容与给定值进行比较，只有在相同的情况下，将该内存位置的内容修改为新的给定值。 这是作为单个原子操作完成的。 原子性保证新值基于最新信息计算; 如果该值在同一时间被另一个线程更新，则写入将失败。 操作结果必须说明是否进行替换; 这可以通过一个简单的布尔响应（这个变体通常称为比较和设置），或通过返回从内存位置读取的值来完成（摘自维基百科）。

要讲CAS就不得不讲一下CAS的核心类-Unsafe类，由于Java方法无法直接访问底层系统，需要通过本地方法（native）方法来访问，Unsafe相当于一个后门，基于该类可以直接操作特定内存的数据。Unsafe类存在于sun.misc包中，其内部方法操作可以像C语言的指针一样直接操作内存，因为Java中CAS操作的执行都依赖于Unsafe类的方法。

注意：Unsafe类中的所有方法都是native修饰的，也就是说Unsafe类中的方法都直接调用操作系统底层资源来执行相应的任务。

CAS是一条CPU并发原语，它的功能是判断内存某个位置的值是否是预期值，如果是预期值则改为新的值，否则不做修改，并且这个过程是原子的。

CAS并发原语体现在Java语言中就是sun.misc.Unsafe类中的各个方法。调用Unsafe类中的CAS方法，JVM会帮我们实现出CAS汇编指令。这是一种完全依赖于硬件的功能！通过它来实现了原子操作。再次强调，由于CAS是一种系统原语，原语属于操作系统用于范畴，是由若干条指令组成的，用于完成某个功能的一个过程，原语的执行必须是连续的，在执行的过程中不允许被中断，也就是说CAS是一条CPU的原子指令，不会造成所谓的数据不一致问题。

举个例子，java.util.concurrent.atomic包下面有一个原子整型类AtomicInteger（AtomicInteger这个类的存在是为了满足在高并发的情况下,原生的整形数值自增线程不安全的问题）AtomicInteger类里面有一个方法getAndIncrement()如下（ getAndIncrement()方法的作用就是先获取值再加1）：

    public final int getAndIncrement() {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
    }

这个方法中就是用到了Unsafe类中的getAndAddInt方法了，getAndAddInt方法源码如下：

    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;
    }

我们可以看到getAndAddInt方法中并没有出现synchronized关键字，也就是没有加锁。方法进入首先定义一个变量var5，然后执行do里面的语句，var5 = this.getIntVolatile(var1, var2); var1就是this，var2就是valueOffset即内存地址偏移量，getIntVolatile(var1, var2)的作用就是获取当前对象this在valueOffset这个地址偏移量上的值是多少，然后赋值给var5，this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4)这句话的意思是比较当前对象的值是不是和var5相等，如果等于就返回true，取反之后退出do-while循环。简单来说：

• var1就是AtomicInteger对象本身；
• var2该对象值的引用地址；
• var4需要变动（增加或者减少）的数量；
• var5是通过var1和var2找出的主内存中真实值；
• 然后使用该对象的当前值与var5比较——如果相同更新var5+var4并且返回true；不同继续取值比较，直到更新完成。

假设线程A和线程B两个线程同时执行getAndAddInt操作：

1. AtomicInteger里面的value原始值为3，即主内存中AtomicInteger的value为3，根据JMM模型，线程A和线程B各自持有一份值为3的value的副本分别在各自的工作内存中。
2. 线程A首先通过getIntVolatile(var1, var2)拿到了value值3，但是恰巧在此时线程A被挂起了
3. 此时线程B也通过getIntVolatile(var1, var2)方法拿到value值3，但是线程B没有被挂起而是继续执行compareAndSwapInt方法，比较内存值也为3，成功修改内存值为4，然后线程B就执行完收工了，一切没有什么问题。
4. 这时候线程A恢复，接着去执行compareAndSwapInt方法去比较，发现自己手里的值数字3和主内存中的值4不一致，说明该值已经被其他线程（就是线程B啦）抢先一步修改过了，那A线程本次修改就失败了，只能重新读取重新再来一遍。
5. 线程A重新获取value值，因为变量value是被volatile修饰的，所以其他线程对它的修改线程A总是能够看到，线程A继续执行compareAndSwapInt进行比较和替换，直到成功。

由于涉及到底层汇编指令，了解即可。

总结：CAS：CompareAndSwap，即比较当前工作内存中的值和主内存中的值，如果相同则执行规定操作，否则继续比较直到主内存和工作内存中的值一致为止。CAS中有三个操作数：内存值V，旧的预期值A，要修改的更新值B，当且仅当预期值A和内存值V相同时，才将内存值V修改为B，否则什么都不做。

CAS缺点：

1. 循环时间长开销大：由于存在do-while循环，如果CAS失败，会一直进行尝试，如果CAS长时间一直不成功，可能会给CPU带来很大开销；
2. 只能保证一个共享变量的原子操作：对于多个共享变量操作时，循环CAS就无法保证操作的原子性了，这个时候只能使用锁来保证原子性了。
3. 引出了ABA问题：下篇博客再讲吧。。。