深入理解CAS

深入理解CAS

 

CAS中的引入

我们知道我们使用Volatile可以保证可见性，但不保证原子性，那么，如果我们不使用Lock锁和synchronized，我们该如何保证添加了volatile关键字的共享变量的原子性呢？

解决方案：我们可以使用Java中java.util.concurrent.atomic包下的原子类，来解决我们的原子性问题,而他们就是使用了CAS来实现的。
 

什么是CAS？

CAS的全称是：Compare And Swap（比较），CAS是CPU的并发原语，是CPU广泛支持的一种对内存中共享数据进行操作的一种特殊的指令，CAS可以将比较和交换转换成原子操作，这个原子操作由CPU保证。

 

CAS原理——Unsafe类

我们根据源码可知，我们的AtomicInteger类中有一个Unsafe类。我们知道Java是无法直接操作内存的，但是我们Java可以调用C++,而C++是可以操作内存的。比如我们的native 方法，而这个Unsafe类就是Java的后门，Unsafe类让Java拥有了像C语言的指针一样操作内存空间的能力，我们可以通过这个类来进行内存的操作。

我们的原子类AutomicInteger.incrementAndGet()，底层是调用了Unsafe类的getAndAddInt()方法

 

 
而Unsafe类中的getAndAddInt（）方法底层使用的就是CAS，并且这个方法使用的是自旋锁。
CAS操作依赖3个值

• 内存中的值V

• 旧的预估值X

• 要修改的值B

  首先自旋锁中的do代码块中，先会通过unsafe.getIntVolatile（Obj，ValueOffset），参数中传进去automicInteger对象、偏移量和1来获取内存中automicInteger中的value，然后内存中的value值赋值给var5,然后再根据自旋锁判断当前内存中的value值与var5的值进行比较，如果值相同，则将后面的var5+var4（1）赋值给value。如果值不同，则重新进入do代码块中获取内存中的value。

我们来举例一个多线程例子：比如有两条线程t1、t2,

• t1:在通过getInvolatile()方法之后获取了内存中automicInteger中的value。
• 而这个时候，t2：走了getAndAddInt()的整个流程，这个时候，内存中的值已经+1了
• t1:来到while中判断，结果发现内存中的值和var5不相同，则重新走do这个流程重新获取内存中的内存值再赋值给var5，再重新判断。

这个流程就是CAS的原理。

 

 

 

CAS优点

• 基于内存操作，效率很高。
• 因为CAS底层使用的是自旋锁、乐观锁的思想，所以线程不会陷入阻塞状态，效率很高。

 

CAS缺点

CAS虽然能保证我们的原子性操作，但是会出出现以下的问题：
1、循环时间的开销较大：对于资源竞争较为激烈的场景，如有多个线程，这个时候CAS自旋的概率就会比较大，从而浪费CPU资源，效率可能会低于synchronized。
2、只能保证一个共享变量的原子操作：当对一个共享变量执行操作时，我们可以使用循环CAS的方式来保证原子操作，但是对多个共享变量操作时，循环CAS就无法保证的原子性，这个时候就可以用锁。
3、可能会出现ABA问题。
 

ABA问题

什么是ABA问题？
ABA问题一句话概括就是（狸猫换太子），假设两条线程去操作同一个资源，线程A和线程B，线程A想通过CAS把资源1改成2，而线程B拿到资源后把资源从1改为3，又把3改为1，而此时线程A还以为1是以前的资源，其实线程A拿到的值已经被线程B动过手脚了，这就是ABA问题。

 

解决ABA问题

1、我们可以使用原子引用AtomicRefence来解决ABA问题。

什么是原子引用AtomicReference？说白了原子引用就是带版本号的原子操作。
AtomicStampedReference atomicStampedReference = new AtomicStampedReference(初始值，时间戳);
这个时间戳可以看成是版本号，如果我们把它设置为1，我们每次修改，我们都需要把这个值往上题，每次有人动了这个值，我们就知道这个值已经被人动过了，这根乐观锁是一样的原理。

在这里，如果我们使用的是 int 的包装类型 Integer ，那么我们就需要注意，我们的初始值不能设置大于128的，如果大于128的会出现CAS产生失败的现象。这是有一个大坑。

在阿里巴巴的开发手册中发现，Integer 采用了对象缓存机制，在-128至127之间赋值，Integer 对象会在IntegerCache.cache中获取，会复用已有的对象，但是这个区间以外的所有数据，都会在堆上产生，并不会复用已有的对象，这就导致了我们的引用不是同一个值，所有会修改失败。