什么是CAS机制?

我们先看一段代码:

启动两个线程,每个线程中让静态变量count循环累加100次。

最终输出的count结果一定是200吗?因为这段代码是非线程安全的,所以最终的自增结果很可能会小于200。我们再加上synchronized同步锁,再来看一下。

加了同步锁之后,count自增的操作变成了原子性操作,所以最终输出一定是count=200,代码实现了线程安全。虽然synchronized确保了线程安全,但是在某些情况下,这并不是一个最有的选择。

关键在于性能问题。

synchronized关键字会让没有得到锁资源的线程进入BLOCKED状态,而后在争夺到锁资源后恢复为RUNNABLE状态,这个过程中涉及到操作系统用户模式和内核模式的转换,代价比较高。

尽管JAVA 1.6为synchronized做了优化,增加了从偏向锁到轻量级锁再到重量级锁的过过度,但是在最终转变为重量级锁之后,性能仍然比较低。所以面对这种情况,我们就可以使用java中的“原子操作类”。

所谓原子操作类,指的是java.util.concurrent.atomic包下,一系列以Atomic开头的包装类。如AtomicBoolean,AtomicUInteger,AtomicLong。它们分别用于Boolean,Integer,Long类型的原子性操作。

现在我们尝试使用AtomicInteger类:

使用AtomicInteger之后,最终的输出结果同样可以保证是200。并且在某些情况下,代码的性能会比synchronized更好。

而Atomic操作类的底层正是用到了“CAS机制”。

CAS是英文单词Compare and Swap的缩写,翻译过来就是比较并替换。

CAS机制中使用了3个基本操作数:内存地址V,旧的预期值A,要修改的新值B。

更新一个变量的时候,只有当变量的预期值A和内存地址V当中的实际值相同时,才会将内存地址V对应的值修改为B。

我们看一个例子:

1. 在内存地址V当中,存储着值为10的变量。

2. 此时线程1想把变量的值增加1.对线程1来说,旧的预期值A=10,要修改的新值B=11.

3. 在线程1要提交更新之前,另一个线程2抢先一步,把内存地址V中的变量值率先更新成了11。

4. 线程1开始提交更新,首先进行A和地址V的实际值比较,发现A不等于V的实际值,提交失败。

5. 线程1 重新获取内存地址V的当前值,并重新计算想要修改的值。此时对线程1来说,A=11,B=12。这个重新尝试的过程被称为自旋。

6. 这一次比较幸运,没有其他线程改变地址V的值。线程1进行比较,发现A和地址V的实际值是相等的。

7. 线程1进行交换,把地址V的值替换为B,也就是12.

从思想上来说,synchronized属于悲观锁,悲观的认为程序中的并发情况严重,所以严防死守,CAS属于乐观锁,乐观地认为程序中的并发情况不那么严重,所以让线程不断去重试更新。

在java中除了上面提到的Atomic系列类,以及Lock系列类夺得底层实现,甚至在JAVA1.6以上版本,synchronized转变为重量级锁之前,也会采用CAS机制。

CAS的缺点:

1) CPU开销过大

在并发量比较高的情况下,如果许多线程反复尝试更新某一个变量,却又一直更新不成功,循环往复,会给CPU带来很到的压力。

2) 不能保证代码块的原子性

CAS机制所保证的知识一个变量的原子性操作,而不能保证整个代码块的原子性。比如需要保证3个变量共同进行原子性的更新,就不得不使用synchronized了。

3) ABA问题

这是CAS机制最大的问题所在。(后面有介绍)

 

我们下面来介绍一下两个问题:

1. JAVA中CAS的底层实现

2. CAS的ABA问题和解决办法。

我们看一下AtomicInteger当中常用的自增方法incrementAndGet:

public final int incrementAndGet() {

    for (;;) {

        int current = get();

        int next = current + 1;

        if (compareAndSet(current, next))

            return next;

    }

}

private volatile int value; 

public final int get() {

    return value;

}

这段代码是一个无限循环,也就是CAS的自旋,循环体中做了三件事:

1. 获取当前值

2. 当前值+1,计算出目标值

3. 进行CAS操作,如果成功则跳出循环,如果失败则重复上述步骤

这里需要注意的重点是get方法,这个方法的作用是获取变量的当前值。

如何保证获取的当前值是内存中的最新值?很简单,用volatile关键字来保证(保证线程间的可见性)。我们接下来看一下compareAndSet方法的实现:

compareAndSet方法的实现很简单,只有一行代码。这里涉及到两个重要的对象,一个是unsafe,一个是valueOffset。

什么是unsafe呢?Java语言不像C,C++那样可以直接访问底层操作系统,但是JVM为我们提供了一个后门,这个后门就是unsafe。unsafe为我们提供了硬件级别的原子操作。

至于valueOffset对象,是通过unsafe.objectFiledOffset方法得到,所代表的是AtomicInteger对象value成员变量在内存中的偏移量。我们可以简单的把valueOffset理解为value变量的内存地址。

我们上面说过,CAS机制中使用了3个基本操作数:内存地址V,旧的预期值A,要修改的新值B。

而unsafe的compareAndSwapInt方法的参数包括了这三个基本元素:valueOffset参数代表了V,expect参数代表了A,update参数代表了B。

正是unsafe的compareAndSwapInt方法保证了Compare和Swap操作之间的原子性操作。

我们现在来说什么是ABA问题。假设内存中有一个值为A的变量,存储在地址V中。

此时有三个线程想使用CAS的方式更新这个变量的值,每个线程的执行时间有略微偏差。线程1和线程2已经获取当前值,线程3还未获取当前值。

接下来,线程1先一步执行成功,把当前值成功从A更新为B;同时线程2因为某种原因被阻塞住,没有做更新操作;线程3在线程1更新之后,获取了当前值B。

在之后,线程2仍然处于阻塞状态,线程3继续执行,成功把当前值从B更新成了A。

最后,线程2终于恢复了运行状态,由于阻塞之前已经获得了“当前值A”,并且经过compare检测,内存地址V中的实际值也是A,所以成功把变量值A更新成了B。

看起来这个例子没啥问题,但如果结合实际,就可以发现它的问题所在。

我们假设一个提款机的例子。假设有一个遵循CAS原理的提款机,小灰有100元存款,要用这个提款机来提款50元。

由于提款机硬件出了点问题,小灰的提款操作被同时提交了两次,开启了两个线程,两个线程都是获取当前值100元,要更新成50元。

理想情况下,应该一个线程更新成功,一个线程更新失败,小灰的存款值被扣一次。

线程1首先执行成功,把余额从100改成50.线程2因为某种原因阻塞。这时,小灰的妈妈刚好给小灰汇款50元。

线程2仍然是阻塞状态,线程3执行成功,把余额从50改成了100。

线程2恢复运行,由于阻塞之前获得了“当前值”100,并且经过compare检测,此时存款实际值也是100,所以会成功把变量值100更新成50。

原本线程2应当提交失败,小灰的正确余额应该保持100元,结果由于ABA问题提交成功了。

怎么解决呢?加个版本号就可以了。

真正要做到严谨的CAS机制,我们在compare阶段不仅要比较期望值A和地址V中的实际值,还要比较变量的版本号是否一致。

我们仍然以刚才的例子来说明,假设地址V中存储着变量值A,当前版本号是01。线程1获取了当前值A和版本号01,想要更新为B,但是被阻塞了。

这时候,内存地址V中变量发生了多次改变,版本号提升为03,但是变量值仍然是A。

随后线程1恢复运行,进行compare操作。经过比较,线程1所获得的值和地址的实际值都是A,但是版本号不相等,所以这一次更新失败。

 

在Java中,AtomicStampedReference类就实现了用版本号作比较额CAS机制。

 

1. java语言CAS底层如何实现?

利用unsafe提供的原子性操作方法。

2.什么事ABA问题?怎么解决?

当一个值从A变成B,又更新回A,普通CAS机制会误判通过检测。

利用版本号比较可以有效解决ABA问题。

 

<think>我们正在讨论Java中的CAS(Compare-And-Swap)概念及其原理。根据用户的问题,我们需要解释CAS是什么以及它的工作原理。同时,我们参考了提供的引用内容,这些引用主要涉及CAS在Java中的实现,包括Unsafe类、底层CPU指令以及CAS的优缺点等。 CAS是一种无锁的并发编程技术,它通过硬件指令保证操作的原子性。在Java中,CAS操作通常通过sun.misc.Unsafe类中的本地方法实现,这些方法会编译成特定的CPU指令(如x86架构的cmpxchg指令)。 下面我们将按照以下结构回答: 1. CAS的定义 2. CAS的工作原理(包括底层原理) 3. CAS在Java中的具体实现(以AtomicInteger为例) 4. CAS的优缺点 5. 相关问题生成 注意:在回答中,我们会适当引用提供的参考文献,并在引用处标注引用标识。</think>### Java 中的 CAS 概念及原理详解 **CAS(Compare-And-Swap)** 是一种无锁并发编程的核心技术,通过硬件指令保证原子性操作。其本质是:**比较内存值是否与预期值相同,若相同则更新为新值,否则放弃操作**。 --- #### 一、CAS 是什么? 1. **定义**: - CAS 是 **原子操作**,由 CPU 提供底层支持(如 x86 的 `cmpxchg` 指令)[^3]。 - Java 通过 `sun.misc.Unsafe` 类封装这些指令(用户不可直接调用,需通过原子类如 `AtomicInteger` 使用)[^1][^2]。 2. **核心思想**: - 通过 **自旋(循环尝试)** 实现无锁同步,避免线程阻塞[^2]。 - 解决并发问题的公式: $$ \text{CAS}(V, E, N) = \begin{cases} \text{更新 } V \text{ 为 } N & \text{if } V = E \\ \text{放弃操作} & \text{otherwise} \end{cases} $$ 其中: - $V$:内存中的当前值 - $E$:预期值(Expected) - $N$:新值(New) --- #### 二、CAS 工作原理 ##### 底层实现流程: 1. **读取内存值**: 线程从共享内存中读取当前值 $V$。 2. **计算新值**: 基于业务逻辑生成新值 $N$(如 `AtomicInteger` 的 `incrementAndGet()` 会将 $V+1$)。 3. **执行 CAS 指令**: - CPU 执行原子指令(如 `cmpxchg`),**比较内存值 $V$ 是否等于预期值 $E$**(即步骤 1 读取的值)[^3]。 - 若相等:将内存值更新为 $N$,返回成功。 - 若不相等:放弃操作,返回失败。 4. **自旋重试**: 若失败,线程重新执行步骤 1-3(循环直到成功或超时)[^2]。 ##### Java 中的实现(以 `AtomicInteger` 为例): ```java // AtomicInteger.getAndIncrement() 源码 public final int getAndIncrement() { return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1); // 调用 Unsafe 类 } // Unsafe.getAndAddInt() 核心逻辑 public final int getAndAddInt(Object o, long offset, int delta) { int v; do { v = getIntVolatile(o, offset); // 读取内存值 V } while (!compareAndSwapInt(o, offset, v, v + delta)); // 自旋 CAS return v; } ``` - **`compareAndSwapInt`**: - 底层通过 JNI 调用 CPU 的原子指令[^1][^3]。 - 若内存值等于 $v$(预期值),则将其更新为 $v + \text{delta}$(新值)。 --- #### 三、为什么使用 CAS? 1. **对比 `synchronized`**: | **特性** | **CAS** | **synchronized** | |----------------|-----------------------------|--------------------------| | **锁机制** | 无锁(自旋) | 悲观锁(阻塞线程) | | **性能** | 高(无上下文切换)[^2] | 低(线程切换开销大) | | **适用场景** | 低竞争、简单操作 | 高竞争、复杂临界区 | 2. **优势**: - **避免死锁**:无锁机制天然免疫死锁。 - **高吞吐量**:轻量级操作,适合计数器等场景[^3]。 --- #### 四、CAS 的缺陷 1. **ABA 问题**: - **场景**:线程 A 读取值 $X$,线程 B 将 $X→Y→X$,线程 A 的 CAS 仍成功(未感知中间变化)。 - **解决方案**: - 使用 **版本号标记**(如 `AtomicStampedReference`)。 $$ \text{内存值} = (\text{value}, \text{stamp}) \quad \text{预期值} = (\text{expectedValue}, \text{expectedStamp}) $$ 2. **自旋开销**: - 高竞争场景下,长时间自旋消耗 CPU 资源[^2]。 3. **单变量限制**: - 只能保证**单个共享变量**的原子性,多个变量需额外同步。 --- ### 总结 - **CAS 本质**:硬件支持的原子指令,通过 **比较-更新** 实现无锁同步。 - **Java 实现**:由 `Unsafe` 类封装 CPU 指令,原子类(如 `AtomicInteger`)提供用户接口[^1][^3]。 - **适用场景**:计数器、状态标志等低竞争简单操作。 - **规避缺陷**:ABA 问题需添加版本号,高竞争场景改用锁机制。 > **设计哲学**:CAS 是乐观锁的基石,通过“重试”而非“阻塞”平衡性能与安全性。 --- ### 相关问题 1. **ABA 问题如何影响业务逻辑?** 举例说明并给出代码解决方案[^2]。 2. **CAS 在 Java 并发包中的具体应用有哪些?**(如 `ConcurrentHashMap` 的分段锁实现) 3. **自旋锁与阻塞锁的性能对比实验设计**:如何量化测试不同竞争强度下的吞吐量? 4. **除了 CAS,还有哪些无锁并发技术?**(如 RCU、Seqlock) [^1]: Java 的 CAS 操作通过 `Unsafe` 类对接 CPU 指令 [^2]: CAS 通过自旋实现无锁同步,但存在 ABA 问题 [^3]: CAS 的底层依赖 CPU 原子指令(如 x86 的 `cmpxchg`)
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