什么是CAS机制？（高级篇）

一、Java当中CAS的底层实现

           CAS的底层究竟是怎么来实现的呢？

           比如：AtomicInteger，是怎么做到【原子性】的比较和更新一个值？

 

二、AtomicInteger源码分析

1. AtomicInteger当中常用的自增方法 incrementAndGet：

 public final int incrementAndGet() {
    for (;;) {
        int current = get();
        int next = current + 1;
        if (compareAndSet(current, next))
            return next;
    }
}
private volatile int value;
public final int get() {
    return value;
}
 

  这段代码是一个【无限循环】，也就是【CAS自旋】。循环体当中做了三件事：

     ①.  获取当前值

     ②. 当前值+1，计算出目标值

     ③. 进行CAS操作，如果成功则跳出循环，如果失败则重复上述步骤

  这里需要注意的重点是：get()方法，这个方法的作用是获取变量的当前值。

  如何保证获得的当前值是内存中的最新值呢？

  很简单，用volatile关键字来保证。

 

2. compareAndSet方法内部的实现，以及方法所依赖对象的来历

  

 ①. CompareAndSet方法的实现很简单，只有一行代码，这里涉及到两个重要的对象，一个是unsafe，一个是valueOffset。

 ②. 什么是unsafe呢？

       1)  Java语言不像C，C++那样可以直接访问底层操作系统

       2)  但是JVM为我们提供了一个后门，这个后门就是Unsafe类，Unsafe为我们提供了【硬件级别的原子操作】。

  ③. 至于valueOffset对象，是通过unsafe.objectFieldOffset方法得到，所代表的是AtomicInteger对象value成员变量在内存中的偏移量。
        我们可以简单地把valueOffset理解为value变量的内存地址。

 

三、CAS机制当中使用了3个基本操作数

           1. 内存地址V

           2. 旧的预期值A

           3. 要修改的新值B

  而unsafe的compareAndSwapInt方法参数包括了这三个基本元素：

       valueOffset参数代表了V

       expect参数代表了A

       update参数代表了B

  正是unsafe的compareAndSwapInt方法保证了Compare和Swap操作之间的原子性操作。

 

四、CAS的ABA问题和解决方法

 什么是CAS的ABA问题？

     所谓的ABA问题：就是一个变量的值从A改成了B，又从B改成了A。

 ①. 假设内存中有一个值为A的变量，存储在地址V当中。

     

 ②. 此时有三个线程想使用CAS方式更新这个变量值，每个线程的执行时间有略微的偏差。

      线程1和线程2已经获得当前值，线程3还未获得当前值。

   

③.  接下来，线程1先一步执行成功，把当前值成功从A更新为B；同时线程2因为某种原因被阻塞住，没有做更新操作；线程3在线程1更新之后，获得了当        前值B。

    

④. 再之后，线程2仍然处于阻塞状态，线程3继续执行，成功把当前值从B更新成了A。

    

 ⑤.  最后，线程2终于恢复了运行状态，由于阻塞之前已经获得了“当前值”A，并且经过compare检测，内存地址V中的实际值也是A，所以成功把变量值A更         新成了B。

     

这个过程中，线程2获取到的变量值A是一个旧值，尽管和当前的实际值相同，但内存地址V中的变量已经经历了A->B->A的改变。

这个例子看起来没毛病，本来就是要把A更新成B。表面看起来没什么问题，但如果结合实际应用场景，就可以看出它的问题所在。

 

五、ABA问题实际应用例子

     当我们举一个提款机的例子。

     假设有一个遵循CAS原理的提款机，小明有100元存款，要用这个提款机来提款50元。

    

 由于提款机硬件出了点小问题，小明的提款操作被同时提交两次，开启了两个线程，两个线程都是获取当前值100元，要更新成50元。

 理想情况下，应该一个线程更新成功，另一个线程更新失败，小明的存款只被扣一次。

 

线程1首先执行成功，把余额从100改成50。线程2因为某种原因阻塞了。

这时候，小明的妈妈刚好给小灰汇款50元。

线程2仍然是阻塞状态，线程3执行成功，把余额从50改成100。

线程2恢复运行，由于阻塞之前已经获得了“当前值”100，并且经过compare检测，此时存款实际值也是100，所以成功把变量值100更新成了50。

这个举例改编自《java特种兵》当中的一段例子。原本线程2应当提交失败，小明的正确余额应该保持为100元，结果由于ABA问题提交成功了。

 

六、ABA问题怎么来解决呢？

        解决 方法很简单，加个【版本号】就行。

       真正要做到严谨的CAS机制，我们在Compare阶段不仅要比较期望值A和地址V中的实际值，还要比较变量的版本号是否一致。

       我们仍然以最初的例子来说明一下，假设地址V中存储着变量值A，当前版本号是01。线程1获得了当前值A和版本号01，想要更新为B，但是被阻塞              了。

       

      这时候，内存地址V中的变量发生了多次改变，版本号提升为03，但是变量值仍然是A。

      

   随后线程1恢复运行，进行Compare操作。

   经过比较，线程1所获得的值和地址V的实际值都是A，但是版本号不相等，所以这一次更新失败。

   

  在Java当中，AtomicStampedReference类就实现了用版本号做比较的CAS机制。

  

七、总结

         1、Java语言CAS底层如何实现？

                  利用Unsafe类提供了原子性操作方法

         2、什么是ABA问题？怎么解决？

                  当一个值从A更新成B，又更新成A，普通CAS机制会误判通过检测。

                  利用【版本号比较】可以有效解决ABA问题。