CAS算法实现

https://blog.youkuaiyun.com/bluetjs/article/details/52261490?locationNum=15&fps=1

1.什么是cas？

    cas是一种无锁算法（非阻塞算法：一个线程的失败或者挂起不应该影响其他线程的失败或者），是compare and swap的缩写，表示为比较并交换的意思

2.cas算法：

    cas有三个操作数，v内存值，旧的预算值A，需要修改的值B，当且预期值A和内存值V相等时，将内存值修改为B，否则什么都不做、

3.++i操作

    

public final int incrementAndGet() {

    for (;;) {

        int current = get();

        int next = current + 1;

        if (compareAndSet(current, next))

            return next;

    }

}

这里采用了CAS操作，每次从中读取数据都会将此数据和+1后的结果进行CAS操作，如果成功则返回结果否则重试到成功为止，而这里的compareAndSet利用JNT（ JNI:Java Native Interface为JAVA本地调用，允许java调用其他语言。）来完成CPU的指令操作

compareAndSet的代码

public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {   

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

    }

compareAndSwapInt类似这样的逻辑：

if(this==except){

    this=update

    return true;

}else{

    return false;

}

4.CAS原理：

    CAS是通过调用JNT代码实现的，而compareAndSwapInt就是就是借用CAS来调用CPU底层指令实现的下面通过（inel x86）来解释CAS的实现原理

public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {   

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

    }

可以看到这是个本地方法调用。这个本地方法在openjdk中依次调用的c++代码为：unsafe.cpp，atomic.cpp和atomicwindowsx86.inline.hpp。这个本地方法的最终实现在openjdk的如下位置：openjdk-7-fcs-src-b147-27jun2011\openjdk\hotspot\src\oscpu\windowsx86\vm\ atomicwindowsx86.inline.hpp（对应于windows操作系统，X86处理器）。下面是对应于intel x86处理器的源代码的片段：

 

// Adding a lock prefix to an instruction on MP machine

// VC++ doesn't like the lock prefix to be on a single line

// so we can't insert a label after the lock prefix.

// By emitting a lock prefix, we can define a label after it.

#define LOCK_IF_MP(mp) __asm cmp mp, 0 \

__asm je L0 \

__asm _emit 0xF0 \

__asm L0:

 

 

inline jint Atomic::cmpxchg (jint exchange_value, volatile jint* dest, jint compare_value) {

// alternative for InterlockedCompareExchange

int mp = os::is_MP();

__asm {

mov edx, dest

mov ecx, exchange_value

mov eax, compare_value

LOCK_IF_MP(mp)

cmpxchg dword ptr [edx], ecx

}

}

 

如上面源代码所示，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）。

 

5.CAS的缺点：

    CAS虽然能高效的保证原子操作，但CAS还是存在三大问题，ABA问题，循环时间长开销大，只能保证一个共享变量的原子操作

    1.ABA问题：因为CAS需要在操作时检查值有没有发生变化，，如果没有发生变化就更新，但是如果一个值原来是A变成了B，再变成A，那么CAS检查不到他的值发生变化，而实际上是变化了的，A->B->A,也就是说，CAS不能发现数值是否改变的过程，他只会看到结果，

    问题实例化：假如银行扣费，有两个线程操作，正确应该是一个扣费成功，一个失败，而我应少50元，假如第一个线程扣费50元后，第二个线程检查之前，我收到转账50元，那么线程2还会对我进行扣费，所以我被扣100元

    解决方法：添加版本号，1A->2B->3A

    2.循环时间长：开销大：如果CAS长时间不成功，则会带来非常大的开销，如果，jvm支持pause指令，效率会有一定的提升，pause指令有两个作用，1、延迟流水线执行指令，使cpu不会消耗过多执行资源2、避免退出循环的时候因内存顺序冲突而引起cpu流水线被清空，从提高CPU的执行效率

    3.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，我们可以使用循环的方式来保证操作的原子性，这时候就要用锁

6.CAS的优化

    java8对CAS的优化：为了防止CAS不断自旋，消耗大量资源，于是java8推出了一个LongAdder，他使用分段CAS和自动分段迁移的方式来大幅度提升多线程高并发执行CAS操作0性

https://mp.weixin.qq.com/s?src=11×tamp=1563419615&ver=1735&signature=R8p-4Q7AnqkeEaViijsaymppXy-O34bCEQO9GHt-Tw*V3me0lVHkfN92reDkOks-94na9RUIuiKqarUUJhdK6SjkjuU1HgGDT34ots1-T7Fs*xO1ywUWW6jOjokZt-eK&new=1

        在LongAdder的底层实现中，首先有一个base值，刚开始多线程不停地累加数值，都是对base进行累加的，比如刚开始累加成base=5；接着，如果发现并发更新的线程数过多，就开始实行分CAS机制也就是内部会创建一个Cell数组，没个数组是一个分段值，它内部也实现了自动分段迁移的机制，就是如果一个Cell的value执行CAS失败了，那么他就会自动寻找另外一个Cell分段内的value值进操作

     优点是把CAS的计算压力分散到不同的Cell中了，解决了线程空自旋、自旋不等待CAS操作的问题，让一个CAS来执行时可能尽快的完成这个操作