说一说CAS

最新推荐文章于 2021-10-18 15:07:59 发布

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分类专栏： java

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本文详细介绍了CAS（Compare and Swap）机制的基本概念与工作原理，包括其在Java中的应用实例，如AtomicInteger类的实现，以及CAS操作如何通过CPU指令保证原子性。此外，还探讨了CAS机制的一些常见问题，如ABA问题及其解决方案。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

JDK给开发人员们提供的java.util.concurrent包，作用非常的大，它们为并发编程提供了基础。而java.util.concurrent包则是完全建立在CAS之上，所以，我们一起来学习一下CAS。

1.概述

CAS即：Compare and Swap, 翻译成比较并交换。CAS有3个操作数，内存值V，旧的预期值A，要修改的新值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，否则什么都不做。现代的CPU提供了特殊的指令，可以自动更新共享数据，而且能够检测到其他线程的干扰，而 compareAndSet() 就用这些代替了锁定。

拿出AtomicInteger来研究在没有锁的情况下是如何做到数据正确性的。

private volatile int value;

首先毫无疑问，在没有锁的机制下可能需要借助volatile原语，保证线程间的数据是可见的（共享的）。

这样在获取变量的值的时候才能直接读取。

public final int get() {
     return value;
}

然后来看看++i是怎么做到的。

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

在这里采用了CAS操作，每次从内存中读取数据然后，将此数据和+1后的结果进行CAS操作，如果成功就返回结果，否则重试直到成功为止。

而compareAndSet利用JNI来完成CPU指令的操作。

public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {   
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}

整体的过程就是这样子的，利用CPU的CAS指令，同时借助JNI来完成Java的非阻塞算法。其它原子操作都是利用类似的特性完成的。
其中

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

类似：

if (this == expect) {//this表示内存值V，expect表示预期值A
  this = update
 return true;
} else {
return false;
}

那么问题就来了，成功过程中需要2个步骤：比较this == expect，替换this = update（这个过程不是线程安全的，类似的还有putifabsent），compareAndSwapInt如何保证这两个步骤的原子性呢？

2.CAS原理

CAS通过调用JNI的代码实现的。JNI:Java Native Interface为JAVA本地调用，允许java调用其他语言。

而compareAndSwapInt就是借助C来调用CPU底层指令实现的。

下面从分析比较常用的CPU（intel x86）来解释CAS的实现原理。

下面是sun.misc.Unsafe类的compareAndSwapInt()方法的源代码：

public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset,
                                              int expected,
                                              int x);

可以看到这是一个本地方法调用，而调用的最终的C++代码的作用在于：程序会根据当前处理器的类型来决定是否为cmpxchg指令添加lock前缀。如果程序是在多处理器上运行，就为cmpxchg指令加上lock前缀（lock cmpxchg）。反之，如果程序是在单处理器上运行，就省略lock前缀（单处理器自身会维护单处理器内的顺序一致性，不需要lock前缀提供的内存屏障效果）

内存屏障：是一组处理器指令，用于实现对内存操作的顺序控制。

intel手册对lock前缀的说明如下：

1. 确保对内存的读-改-写操作原子执行。在Pentium及Pentium之前的处理器中，带有lock前缀的指令在执行期间会锁住总线，使得其他处理器暂时无法通过总线访问内存。很显然，这会带来昂贵的开销。从Pentium 4，Intel Xeon及P6处理器开始，intel在原有总线锁的基础上做了一个很有意义的优化：如果要访问的内存区域（area of memory）在lock前缀指令执行期间已经在处理器内部的缓存中被锁定（即包含该内存区域的缓存行当前处于独占或以修改状态），并且该内存区域被完全包含在单个缓存行（cache line）中，那么处理器将直接执行该指令。由于在指令执行期间该缓存行会一直被锁定，其它处理器无法读/写该指令要访问的内存区域，因此能保证指令执行的原子性。这个操作过程叫做缓存锁定（cache locking），缓存锁定将大大降低lock前缀指令的执行开销，但是当多处理器之间的竞争程度很高或者指令访问的内存地址未对齐时，仍然会锁住总线。
2. 禁止该指令与之前和之后的读和写指令重排序。
3. 把写缓冲区中的所有数据刷新到内存中。

关于CPU的锁有如下三种：

1.处理器自动保证基本内存操作的原子性

2.使用总线锁保证原子性

3.使用缓存锁保证原子性

3.CAS的缺点

1.ABA问题

因为CAS需要在操作值的时候检查下值有没有发生变化，如果没有发生变化则更新，但是如果一个值原来是A，变成了B，又变成了A，那么使用CAS进行检查时会发现它的值没有发生变化，但是实际上却变化了。ABA问题的解决思路就是使用版本号。在变量前面追加上版本号，每次变量更新的时候把版本号加一，那么A－B－A 就会变成1A-2B－3A。

JDK1.5的Atomic包里提供了一个类AtomicStampedReference来解决ABA问题。这个类的compareAndSet方法的作用是首先检查当前引用是否等于预期引用，并且检查当前标志是否等于预期标志，如果全部相等，则以原子方式将该引用和该标志的值设置为给定的更新值。

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就无法保证操作的原子性，这个时候就可以用锁，或者有一个取巧的办法，就是把多个共享变量合并成一个共享变量来操作。

从Java1.5开始JDK提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性，你可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作。

这里在补充说一句：其实 volatile关键字的实现也与lock前缀有关，可归结为：

1.Lock前缀指令会引起处理器缓存写回到系统内存；
2.一个处理器的缓存回写到内存会导致其他处理器的缓存无效。