CAS底层原理万字示例+详解！

概念

CAS的全称是Compare-And-Swap，它是cpu并发原语

它的功能是判断内存某个位置的值是否为预期值。如果是则更改为新的值，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，用于完成某个功能的一个过程，并且原语的执行必须是连续的，在执行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的问题，也就是说CAS是线程安全的。

代码使用

首先使用AtomicInteger创建了一个实例，并初始化为5

// 创建一个原子类
AtomicInteger atomicInteger= new AtomicInteger(5)

然后调用CAS方法，企图更新成2019，这里有两个参数，一个是5，表示期望值，第二个就是我们要更新的值

atomicInteger.compareAndSet(5,2019)

然后再次使用了一个方法，同样将值改为1024

atomicInteger.compareAndSet(5,1024)

完整代码如下：

public class CASDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个原子类
        AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(5);

        /**
         * 一个是期望值，一个是更新值，但期望值和原来的值相同时，才能够更改
         * 假设三秒前，我拿的是5，也就是expect为5，然后我需要更新成 2019
         */
        System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(5, 2019) + "\t current data: " + atomicInteger.get());

        System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(5, 1024) + "\t current data: " + atomicInteger.get());
    }
}

上面代码的执行结果为：

这是因为我们执行第一个的时候，期望值和原本值是满足的，因此修改成功，但是第二次后，主内存的值已经改成了2019，不满足期望值，因此返回了false，本次写入失败

这个就类似于SVN或者Git的版本号，如果没有人更改过，就能够正常提交，否者需要先将代码pull下来，合并代码后，然后提交

CAS底层原理

首先我们先看看atomicInteger.getAndIncrement()方法的源码

从这里能够看到，底层又调用了一个unsafe类的getAndAddInt方法

unsafe类

Unsafe是CAS的核心类，由于Java方法无法直接访问底层系统，需要通过本地（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的内存数据，Unsafe类存在sun.misc包中，其内部方法操作可以像C指针一样直接操作内存，因为Java中的CAS操作的执行依赖于Unsafe类的方法。

注意Unsafe类的所有方法都是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执行相应的任务

为什么Atomic修饰的包装类，能够保证原子性，依靠的就是底层的unsafe类

变量valueOffset

表示该变量值在内存中的偏移地址，因为Unsafe就是根据内存偏移地址获取数据的

从这里我们可以看到，通过valueOffset，直接通过内存地址，获取到值，然后进行加1操作

变量value用volatile修饰

保证了多线程之间的内存可见性

var5：就是我们从主内存中拷贝到工作内存中的值

那么操作的时候，需要比较工作内存中的值，和主内存中的值进行比较

假设执行 compareAndSwapInt返回false，那么就一直执行 while方法，直到期望的值和真实值一样

val1：AtomicInteger对象本身
var2：该对象值得引用地址
var4：需要变动的数量
var5：用var1和var2找到的内存中的真实值
- 用该对象当前的值与var5比较
- 如果相同，更新var5 + var4 并返回true
- 如果不同，继续取值然后再比较，直到更新完成

这里没有用synchronized，而用CAS，这样提高了并发性，也能够实现一致性，是因为每个线程进来后，进入的do while循环，然后不断的获取内存中的值，判断是否为最新，然后在进行更新操作。

假设线程A和线程B同时执行getAndInt操作（分别跑在不同的CPU上）

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各自持有一份价值为3的副本，分别存储在各自的工作内存
线程A通过getIntVolatile(var1 , var2) 拿到value值3，这是线程A被挂起（该线程失去CPU执行权）
线程B也通过getIntVolatile(var1, var2)方法获取到value值也是3，此时刚好线程B没有被挂起，并执行了compareAndSwapInt方法，比较内存的值也是3，成功修改内存值为4，线程B打完收工，一切OK
这是线程A恢复，执行CAS方法，比较发现自己手里的数字3和主内存中的数字4不一致，说明该值已经被其它线程抢先一步修改过了，那么A线程本次修改失败，只能够重新读取后在来一遍了，也就是在执行do while
线程A重新获取value值，因为变量value被volatile修饰，所以其它线程对它的修改，线程A总能够看到，线程A继续执行compareAndSwapInt进行比较替换，直到成功。

Unsafe类 + CAS思想：也就是自旋，自我旋转

底层汇编

Unsafe类中的compareAndSwapInt是一个本地方法，该方法的实现位于unsafe.cpp中

先想办法拿到变量value在内存中的地址
通过Atomic::cmpxchg实现比较替换，其中参数X是即将更新的值，参数e是原内存的值

CAS缺点

CAS不加锁，保证一次性，但是需要多次比较

循环时间长，开销大（因为执行的是do while，如果比较不成功一直在循环，最差的情况，就是某个线程一直取到的值和预期值都不一样，这样就会无限循环）
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，我们可以通过循环CAS的方式来保证原子操作
- 但是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，这个时候只能用锁来保证原子性
引出来ABA问题？

ABA问题

假设两个线程T1和T2访问同一个变量V，当T1访问变量V时，读取到V的值为A；此时线程T1被抢占了，T2开始执行，T2先将变量V的值从A变成B，然后又将变量V的值从B变成A；此时T1又抢占了主动权，继续执行，它发现V的值还是A，以为没有变化，所以就继续执行了。这个过程中，变量V从A变为B，再由B变为A就形象的称为ABA问题。
总结
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CAS

CAS是compareAndSwap，比较当前工作内存中的值和主物理内存中的值，如果相同则执行规定操作，否者继续比较直到主内存和工作内存的值一致为止

CAS应用

CAS有3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，将内存值V修改为B，否者什么都不做

补充

参考：https://blog.csdn.net/longgeqiaojie304/article/details/89819316

1、CAS底层是汇编

Unsafe类中的compareAndSwapInt，是一个本地方法，该方法的实现位于unsafe.cpp中

2、CAS会导致ABA问题

CAS算法实现一个重要前提需要取出内存中某个时刻的数据并在当下时刻比较并替换，那么在这个时间差内会导致数据的变化。

比如说一个线程one从内存位置V中取出A，这个时候另一个线程two也从内存位置V中取出A，并且线程two进行了一些操作将值变成了B，然后线程two又将V位置的数据变成A，这时候线程one进行CAS操作时发现内存中仍然是A，然后线程one操作成功。

尽管线程one的CAS操作成功，但是并不代表这个过程就是没有问题的。

作者：柒
链接：https://www.cnblogs.com/qiuwenli/p/13516505.html
来源：cnblogs