CAS 的工作原理

CAS (Compare-and-Swap) 本身并不是一个独立的项目或软件，而是一种底层的硬件指令和并发编程概念

1. 核心概念

• CAS 是一种原子操作： 它的 “比较” 和 “交换” 这两个动作是作为一个不可分割的整体执行的，要么都成功，要么都失败，不会出现中间状态。
• CAS 是一种无锁操作（乐观锁）： 它在操作过程中不会阻塞线程，而是通过不断重试来实现同步。
• CAS 操作三个数：
  • 内存位置 (V)： 要读取和修改的内存地址。
  • 预期原值 (A)： 期望 V 处当前的值。
  • 新值 (B)： 如果 V 处的值等于 A，则将 V 处的值更新为 B。

2. CPU 指令层面 (以 x86 架构为例)

CAS 的原子性是由 CPU 的硬件指令保证的。 在 x86 架构上，CAS 操作通常对应 cmpxchg 指令族（Compare and Exchange）。 不同的操作数类型对应不同的指令：

• cmpxchg (操作数可以是 8 位、16 位、32 位或 64 位)
• cmpxchg8b (操作数是 64 位)
• cmpxchg16b (操作数是 128 位，需要 CPU 支持)

cmpxchg 指令的工作流程（以 32 位为例）：

1. 准备阶段：

   • 将预期原值 (A) 放入 EAX 寄存器。
   • 将新值 (B) 放入 EBX 或 ECX 寄存器（具体取决于指令的操作数）。
   • 将内存位置 (V) 的地址放入一个通用寄存器（例如，ESI 或 EDI）。

2. 执行 cmpxchg 指令：

   • CPU 执行 cmpxchg 指令，格式通常是：cmpxchg 目标操作数, 源操作数。
   • 目标操作数通常是一个内存地址（例如 [ESI]，表示 ESI 寄存器中存储的地址）。
   • 源操作数通常是一个寄存器（例如 EBX）。

3. 比较与交换：

   • cmpxchg 指令内部会进行以下操作（原子操作）：
     1. 读取内存位置 (V) 的当前值（假设为 C）。
     2. 将 C 与 EAX 寄存器中的值 (A) 进行比较。
     3. 如果 C 等于 A：
        • 将 EBX 寄存器中的值 (B) 写入内存位置 (V)。
        • 将零标志位 (ZF) 设置为 1，表示比较相等。
     4. 如果 C 不等于 A：
        • 将内存位置 (V) 的值 © 加载到 EAX 寄存器中。
        • 将零标志位 (ZF) 设置为 0，表示比较不相等。

4. 结果判断：

   • cmpxchg 指令执行完成后，程序可以通过检查零标志位 (ZF) 来判断 CAS 操作是否成功。
   • 如果 ZF = 1，表示 CAS 操作成功，内存位置 (V) 的值已经被更新为 B。
   • 如果 ZF = 0，表示 CAS 操作失败，内存位置 (V) 的值没有被修改，EAX 寄存器中现在存储的是 V 处的当前值。

关键点：

• 原子性： cmpxchg 指令本身是原子的，CPU 会保证这个指令在执行过程中不会被中断。
• 总线锁或缓存锁： 在多核处理器环境下，为了保证 cmpxchg 指令的原子性，CPU 会使用总线锁 (BUS Lock) 或缓存锁 (Cache Lock) 机制。
  • 总线锁： 在早期 CPU 中，cmpxchg 指令会在总线上发送一个 LOCK# 信号，锁定总线，阻止其他 CPU 访问内存，从而保证操作的原子性。 总线锁的开销较大。
  • 缓存锁： 现代 CPU 更多地使用缓存锁机制。 如果要操作的内存区域在 CPU 的缓存行 (Cache Line) 中，CPU 会锁定该缓存行，而不是锁定整个总线。 缓存锁的开销较小，可以提高多核处理器的性能。
• EAX 寄存器： EAX 寄存器在 cmpxchg 指令中扮演着重要的角色，它既用于存储预期原值 (A)，也用于在 CAS 操作失败时存储内存位置 (V) 的当前值。

3. Java 层面 (Unsafe 类)

Java 无法直接使用 CPU 指令，但可以通过 sun.misc.Unsafe 类间接使用。 Unsafe 类提供了一些 native 方法，可以调用底层的操作系统和硬件功能，包括 CAS 操作。

• Unsafe 类中的 CAS 方法：

  public final native boolean compareAndSwapObject(Obj