java多线程---CAS实现原理

   一，CAS的使用demo

    我们通过一个demo来体会cas的功能是什么：

public class MyText{
      //这里相当于两个integer 数字，一个是原子的，一个是普通的，我们通过++，来比较最后的值。
      private AtomicInteger atomicI=new AtomicInteger(0);
      private int i=0;
      //使用CAS实现线程安全计数器
      private void safeCount() {
            for(;;) {
                  int ia=atomicI.get();
                  boolean suc=atomicI.compareAndSet(ia, ++ia);
                  if(suc)
                        break;
            }
      }

      //非线程安全计数器
      private void count() {
            i++;
      }

      public static void main(String []args) throws InterruptedException  {
            final MyText text=new MyText();
            List ts=new ArrayList(600);
            for(int j=0;j<100;j++) {
                  Thread t=new Thread(new Runnable() {
                        public void run() {
                              for(int i=0;i<10000;i++) {
                                    text.count();
                                    text.safeCount();
                              }
                        }
                  });

                  ts.add(t);
            }

            for(Thread t:ts)
                  t.start();  //启动所以线程
            //等待所以线程执行完成才输出结果；
            for(Thread t:ts) {
                  t.join();
            }

            System.out.println("未上锁："+text.i);
            System.out.println("原子操作："+text.atomicI.get());
      }
}

结果： 可见两种结果相差甚远，现在你也直到了cas是做什么的了吧，它就是代替锁去实现同步操作的。保证共享数据的安全性。

 

二，CAS是什么？

    cas是compare and swap 的缩写，比较并替换，cas有三个操作数：内存地址V，旧的预期值A，即将要更新的目标值B。

    cas指令执行时，当前仅当内存地址V的值与预期值A相等时，将内存地址V的值修改为B,否者就什么都不做，整个比较并替换的操作是一个原子操作。

    如果发现V中存的值，和预期值A不相等，那么就会提交失败，重写提交，这就叫自旋。

    在这里体会什么是乐观锁，cas就觉得，并没有多少线程会去竞争这个锁，所以不会去等待，而是不断的去尝试更新值。并且认为，满足更新条件是个大概率事件。（很乐观）

三，CAS实现原理是什么？

    点进方法看：

public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {

        return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect,  update);

    }

    这个就和我们lock里面发现的操作都是一样的，使用unsafe类的方法调用，这里在eclipse就看不见再里面的源码了，因为unsafe类中的方法都是native方法，由c,c++直接在操作系统上面操作。

继续跟进（我们借用大佬的图说明）：

这里调用cmpxchg方法，它在Linux和windows实现不一样，我们分别看一下

linux_x86

windows_x86

cmpxchg到底在做什么？

    答：os::is_MP()判断这个系统是否是多处理器，如果是多处理，返回1，否者返回0.

            LOCK_IF_MP(mp) 是根据mp的值来决定是否为cmpxchg指令添加lock前缀：如果是多处理器，则需要为cmpxchg指令添加lock前缀。（这是一种优化手段，只在多核情况添加）

 

    这里的Lock前缀指令，和处理器 实现 原子操作有关系，和内存屏障有关系。

cmpxchg源码：

jbyte Atomic::cmpxchg(jbyte exchange_value, volatile jbyte*dest, jbyte compare_value) {
         assert (sizeof(jbyte) == 1,"assumption.");
         uintptr_t dest_addr = (uintptr_t) dest;
         uintptr_t offset = dest_addr % sizeof(jint);
         volatile jint*dest_int = ( volatile jint*)(dest_addr - offset);
         // 对象当前值
         jint cur = *dest_int;
         // 当前值cur的地址
         jbyte * cur_as_bytes = (jbyte *) ( & cur);
         // new_val地址
         jint new_val = cur;
         jbyte * new_val_as_bytes = (jbyte *) ( & new_val);
          // new_val存exchange_value，后面修改则直接从new_val中取值
         new_val_as_bytes[offset] = exchange_value;
         // 比较当前值与期望值，如果相同则更新，不同则直接返回
         while (cur_as_bytes[offset] == compare_value) {
          // 调用汇编指令cmpxchg执行CAS操作，期望值为cur，更新值为new_val
             jint res = cmpxchg(new_val, dest_int, cur);
             if (res == cur) break;
             cur = res;
             new_val = cur;
             new_val_as_bytes[offset] = exchange_value;
         }
         // 返回当前值
         return cur_as_bytes[offset];
}

四，CAS存在的问题

    1.易于理解的，循环时间长开销很大：因为cas尝试失败就会一直自旋，循环的去尝试更新。

    2.只能保证一个共享变量的原子操作：对多个共享变量操作时，循环cas就无法保证操作原子性，这个时候需要用锁，：解决办法：将多个变量合成为一个变量进行操作（类的封装）

    3.著名ABA问题：我们直到cas的操作前提是保证：地址v里面存放的值，和预期值A一样，那么就操作更新为B,但是如果， 有一个人把A的值，改编成为B,又从B改变回A，那么对于之前那个执行CAS操作的线程来说，是无法察觉的。解决办法：给每一次修改附上一个版本号，1.5推出了AtomicStampedReference来解决ABA问题，它的作用就是对四个标志，引用等等进行相等判断，全部都满足，才进行操作。

    

 

参考链接： https://blog.csdn.net/v123411739/article/details/79561458（有源码）

                  https://www.jianshu.com/p/ae25eb3cfb5d（基本使用与流程）

                 https://zhuanlan.zhihu.com/p/94762520?utm_source=wechat_timeline（有深度）