Java中的CAS实现原理

https://blog.csdn.net/v123411739/article/details/79561458

一、什么是CAS？

    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（摘自维基本科）

    JAVA1.5开始引入了CAS，主要代码都放在JUC的atomic包下，如下图：

  

 

 

二、JAVA中如何实现CAS操作

    以比较简单的AtomicInteger为例，我们看一下都有哪些方法：

    从图中可以看出JAVA中的CAS操作都是通过sun包下Unsafe类实现，而Unsafe类中的方法都是native方法，由JVM本地实现，笔者为了弄清楚真正的实现原理，查看了openJDK7的源码，下面就稍作分析：

  

  

    Unsafe中对CAS的实现是C++写的，从上图可以看出最后调用的是Atomic:comxchg这个方法，这个方法的实现放在hotspot下的os_cpu包中，说明这个方法的实现和操作系统、CPU都有关系，我们以linux的X86处理器的实现为例来进行分析

    Linux的X86下主要是通过cmpxchgl这个指令在CPU级完成CAS操作的，但在多处理器情况下必须使用lock指令加锁来完成。从这个例子就可以比较清晰的了解CAS的底层实现了，当然不同的操作系统和处理器的实现会有所不同，大家可以自行了解。

 

 

三、CAS在JUC中的运用

    我们看一下JUC中非常重要的一个类AbstractQueuedSynchronizer，作为JAVA中多种锁实现的父类，其中有很多地方使用到了CAS操作以提升并发的效率

  

上图为同步队列的入队操作，也是一种乐观锁的实现，多线程情况下，操作头节点和尾节点都有可能失败，失败后会再次尝试，直到成功。

 

 

四、ABA问题

  CAS可以有效的提升并发的效率，但同时也会引入ABA问题。

  如线程1从内存X中取出A，这时候另一个线程2也从内存X中取出A，并且线程2进行了一些操作将内存X中的值变成了B，然后线程2又将内存X中的数据变成A，这时候线程1进行CAS操作发现内存X中仍然是A，然后线程1操作成功。虽然线程1的CAS操作成功，但是整个过程就是有问题的。比如链表的头在变化了两次后恢复了原值，但是不代表链表就没有变化。

  所以JAVA中提供了AtomicStampedReference/AtomicMarkableReference来处理会发生ABA问题的场景，主要是在对象中额外再增加一个标记来标识对象是否有过变更。

四 CAS的自旋

 在高并发的情况下CPU资源竞争激烈，不同线程之间对同一资源进行操作时（多线程高并发）

1、对于资源竞争较少的情况，使用同步锁进行线程阻塞和唤醒切换以及用户态内核态间的切换操作额外浪费消耗CPU资源；而CAS基于硬件实现，不需要进入内核，不需要切换线程，操作自旋几率较少，因此可以获得更高的性能。
2、对于资源竞争严重的情况，CAS自旋的概率会比较大，从而浪费更多的CPU资源，效率低于锁。CAS在判断两次读取的值不一样的时候会放弃操作，但为了保证结果正确，通常都会继续尝试循环再次发起CAS操作，如Jdk1.6版本的AtomicInteger类的getAndIncrement()方法，就是利用了自旋实现多次尝试：

• public final int getAndIncrement() {
• for (;;) {
• int current = get();
• int next = current + 1;
• if (compareAndSet(current, next))
• return current;
• }
• }

如果compareAndSet(current, next)方法成功执行，则直接返回；如果线程竞争激烈，导致compareAndSet(current, next)方法一直不能成功执行，则会一直循环等待，直到耗尽cpu分配给该线程的时间片，从而大幅降低效率。
总之：
1、使用CAS在线程冲突严重时，因为自旋会大幅降低程序性能；CAS只适合于线程冲突较少的情况使用。
2、线程冲突严重的情况下，同步锁能实现线程堵塞和唤醒切换，不会出现自旋，避免了上述的情况，从而让性能远高于CAS。

所以使用CAS的时候的注意出现高并发情况下的自旋。