并发编程之CAS

目录

 

简介:    

代码举例：

CAS底层原理：

1、unsafe类

2、变量valueOffset

3、分析compareAndSwapInt

CAS缺点?

如何解决ABA问题?

---

简介:    

       CAS 是什么，它的英文全称是 Compare-And-Swap，中文叫做“比较并交换”，它是一种思想、一种算法。

      CAS 有三个操作数：内存值 V、预期值 A、要修改的值 B。CAS 最核心的思路就是，仅当预期值 A 和当前的内存值 V 相同时，才将内存值修改为 B。

      CAS 其实是我们面试中的常客，因为它是原子类的底层原理，同时也是乐观锁的原理，所以当你去面试的时候，经常会遇到这样的问题“你知道哪些类型的锁”？你可能会回答“悲观锁和乐观锁”，那么下一个问题很有可能是问乐观锁的原理，也就是和 CAS 相关的问题，当然也有可能会继续深入问你 CAS 的应用场景或者是缺点等问题。

      在多线程的情况下，各个代码的执行顺序是不能确定的，所以为了保证并发安全，我们可以使用互斥锁。而 CAS 的特点是避免使用互斥锁，当多个线程同时使用 CAS 更新同一个变量时，只有其中一个线程能够操作成功，而其他线程都会更新失败。不过和同步互斥锁不同的是，更新失败的线程并不会被阻塞，而是被告知这次由于竞争而导致的操作失败，但还可以再次尝试。

     CAS 被广泛应用在并发编程领域中，以实现那些不会被打断的数据交换操作，从而就实现了无锁的线程安全。

     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。

代码举例：

首先调用AtomicInteger创建了一个实例， 并初始化为6

        // 创建一个原子类
        AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(6);

然后调用CAS方法，企图更新成2021，这里有两个参数，一个是6，表示期望值，第二个就是我们要更新的值

atomicInteger.compareAndSet(6, 2021);

然后再次使用了一个方法，同样将值改成2022

atomicInteger.compareAndSet(6, 2022);

完整代码如下：

 

package com.yang; import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger; public class CASDemo {     public static void main(String[] args) {         // 创建一个原子类         AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(6);         /**          * 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6，也就是expect为6，然后我需要更新成 2021          */         System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(6, 2021) + "\t current data: " + atomicInteger.get());         System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(6, 2022) + "\t current data: " + atomicInteger.get());     } }

执行结果:

true      current data: 2021

false     current data: 2021

分析: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，主内存的值已经修改成了2021，不满足期望值，因此返回了false，本次写入失败。

这个就类似于我们平时协同开发时使用的版本控制工具SVN或者Git，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：

/**      * Atomically increments the current value,      * with memory effects as specified by {@link VarHandle#getAndAdd}.      *      * <p>Equivalent to {@code getAndAdd(1)}.      *      * @return the previous value      */    //这是jdk11的源码     private static final jdk.internal.misc.Unsafe U = jdk.internal.misc.Unsafe.getUnsafe();         public final int getAndIncrement() {         return U.getAndAddInt(this, VALUE, 1);     }

 

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

1、unsafe类

/*      * This class intended to be implemented using VarHandles, but there      * are unresolved cyclic startup dependencies.      */     //jdk11     private static final jdk.internal.misc.Unsafe U = jdk.internal.misc.Unsafe.getUnsafe();     private static final long VALUE = U.objectFieldOffset(AtomicInteger.class, "value");     private volatile int value;

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的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。

2、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。

 

//下访的时jdk11源码 //this代表当前对象   //VALUE内存偏移量,也就是内存地址 private static final jdk.internal.misc.Unsafe U = jdk.internal.misc.Unsafe.getUnsafe();         public final int getAndIncrement() {         return U.getAndAddInt(this, VALUE, 1);     }

 从这里我们能够看到，通过VALUE，直接通过内存地址，获取到值，然后进行加1的操作。

3、分析compareAndSwapInt

/**      * Atomically adds the given value to the current value of a field      * or array element within the given object {@code o}      * at the given {@code offset}.      *      * @param o object/array to update the field/element in（AtomicInteger对象本身）      * @param offset field/element offset（偏移量,也即是该对象值得引用地址）      * @param delta the value to add(需要变动的数量)      * @return the previous value      * @since 1.8      */     @HotSpotIntrinsicCandidate     public final int getAndAddInt(Object o, long offset, int delta) {         int v;         do {             v = getIntVolatile(o, offset);         } while (!weakCompareAndSetInt(o, offset, v, v + delta));         return v;     }

 

变量v：就是我们从主内存中拷贝到工作内存中的值(每次都要从主内存拿到最新的值到自己的本地内存，然后执行compareAndSwapInt()在再和主内存的值进行比较。因为线程不可以直接越过高速缓存，直接操作主内存，所以执行上述方法需要比较一次，在执行加1操作).

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.

变量v：用o和offset找到的内存中的真实值

用该对象当前的值与v比较

如果相同，更新v + delta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.

举例理解上述源码: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）

(1)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

(2)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）

(3)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

(4)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

(5)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。

CAS缺点?

(1)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）

(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

(3）引出来ABA问题？

CAS都是基于“值”来做比较的。但如果另外一个线程把变量的值从A改为B，再从B改回到A，那么尽管修改过两次，可是在当前线程做CAS操作的时候，却会因为值没变而认为数据没有被其他线程修改过，这就是所谓的ABA问题。

如何解决ABA问题?

要解决 ABA 问题，不仅要比较“值”，还要比较“版本号”，而这正是 AtomicStampedReference做的事情，其对应的CAS方法如下：

 

当使用的时候，在构造方法里面传入值和版本号两个参数，应用程序对版本号进行累加操作，然后调用上面的CAS。如下所示：