Java并发基石——CAS是如何实现的？

目录

1. 什么是CAS？

2. Java中关于 CAS 的 API 在哪里？

3. CAS API方法和参数解析

 4. CAS的底层实现

5. CAS是如何保证多核线程安全的？

6. CAS的缺点？

7. 如何避免ABA问题？

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1. 什么是CAS？

CAS的全程是 "CompareAndSwap"，翻译过来就是 "比较和替换"。

CAS的操作包含三个操作数——内存地址，期望值，新值。如果内存位置的值与期望值匹配，那么处理器就会自动将该位置的值更新为新值；否则，处理器不做任何操作。无论哪种情况，它都会在CAS指令之前返回该位置的值。 

CAS可以理解为 "我认为位置V的值应该是A，如果有该值，则将B放在这个位置；否则，不更改该位置的值，只告诉我这个位置现在的值即可"。

2. Java中关于 CAS 的 API 在哪里？

Java中 CAS 的 API 方法定义在 sun.misc.Unsafe 类中，如下图所示中的三个方法，可以看到该类的名字叫 Unsafe(不安全的)，三个方法都有 native 修饰，这些方法不是由 Java 语言编写的，而是由C语言编写的；总之记住一点就行了，这些 native 本地CAS方法是用C语言编写的，通常也不是让我们 Java 程序员去调用使用的，更多见到它们是在源码中碰到它们。

3. CAS API方法和参数解析

CAS的三个方法作用相似，它们都有四个参数，下面我来说一下它们的作用。

compareAndSwapObject：比较并交换 Object 类型数据；

compareAndSwapInt：比较并交换 Int 类型数据；

compareAndSwapLong：比较并交换 Long 类型数据；

var1：方法要操作的对象；

var2：方法要操作的对象中属性的偏移量(举个例子，我们有一个 User 用户对象，在堆中存放，但我们只获取该 User 对象的其中一个属性值，就需要通过偏移量来获取，例如 user.name 获取用户名称属性)；

var3：表示想要修改的数据属性当前值（意思就是改之前是什么值）；

var4：表示想要修改的数据的修改值（意思就是想改成什么值）；

 4. CAS的底层实现

这里我来简单解释一下CAS的底层实现，CAS是通过调用JNI代码来实现的。

JNI 全称 java.native.interface ，翻译过来就是 Java本地接口方法，允许Java调用其它语言，而Java中的这三个CAS方法底层是用C语言编写的，通过C语言调用底层CPU，最终映射到CPU指令集上得以实现。

5. CAS是如何保证多核线程安全的？

现在的计算机大多都是多核心处理器，那么在此种情况下，系统执行CAS操作之前，会先去判断当前系统是否为多核心系统。如果是，就会给 "总线" 加锁，尽管有多个线程，但只有一个线程能给总线加锁成功，加完锁之后就会去执行CAS操作，也就是说CAS操作的原子性是平台级别的。而且只能有一个线程在同一时刻能够去执行CAS运算，无法多线程并行CAS操作，这样就解决了多核线程的安全问题。

6. CAS的缺点？

上面说到了CAS的操作原理，比较并替换，CAS操作时需要先判断先前的值是否发生变化，未变化则CAS，变化了则不执行CAS，如果说A线程在执行CAS操作之前，B线程将需要判断的值 a 改为了 b ，然后又从 b 改成了 a。那么当A线程再去执行CAS操作的时候，是可以执行成功的，因为它不管中间过程，只要我线程A在CAS时值未发生变化，就可以替换，但不能避免发生过变化不影响操作这种情况的发生。

举个简单的例子，事务A要去对数据库中的字段 num (假设当前值为1)做加一操作，事务B在事务A之前先去执行了加一操作，值变成了2，但是执行过程中发生了异常，事务B回滚，又从2回滚到了1，此时事务A再去对 num 进行加一操作时，是可以成功的，因为值没有发生改变。这种情况我们通常称为ABA问题。

7. 如何避免ABA问题？

为了解决ABA问题，在Java中，就引入了版本号这一说法，很简单，我们执行CAS操作时，不是会比较当前值和期望值是否相同吗？那我们就再加入一个版本号，对当前可能出现ABA问题的数据加上一个版本号，每当有一个线程对当前数据发生过修改，版本号都会做一次变换，即便又改回了原来的值，版本号也是不一致的。这样我们在执行CAS操作时，不仅要满足为当前值与期望值相等，还要满足当前版本号与期望版本号相同，只要有一个不同，CAS操作就不会成功，这样就可以避免ABA问题的出现。