CAS原理探究

最新推荐文章于 2023-02-18 10:18:06 发布

lloyvet

最新推荐文章于 2023-02-18 10:18:06 发布

阅读量236

点赞数

分类专栏： JUC 文章标签： java

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/qq_43455790/article/details/110749053

版权

JUC 专栏收录该内容

1 篇文章

订阅专栏

本文深入解析CAS（CompareAndSwap）并发机制，介绍其作为CPU原语如何实现内存值的比较并交换操作，以及这一机制在Java中的应用。讨论了CAS在Unsafe类中的实现方式，并分析了CAS的优点和局限性。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

CAS是什么

CAS：CompareAndSwap，从字面以来看也就是比较并交换，它是一条CPU并发原语它的功能是判断内存某个位置的值是否为预期值，如果是则更改为新的值，这个过程是原子操作

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，由于CAS是一种系统原语，属于操作系统范畴，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问题

底层原理

通过调用Unsafe类中的方法
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内存的数据，Unsafe类存在于sun.misc包中，其内部方法操作可以项c的指针一样直接操作内存，因为Java中CAS操作的执行依赖于Unsafe类中的方法

Unsafe类中所有方法都是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任务

在原子类中，例如AtomicInteger

private static final long valueOffset;

    static {
        try {
            valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
                (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
        } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
    }

    private volatile int value;

变量valueOffset，表示变量值在内存中的编译地址，因为Unsafe就是根据内存偏移地址获取数据的

变量value使用volatile修饰，保证了多线程之间的内存可见性

使用过程

比较当前工作内存中的值和主内存中的值，如果相同则执行规定操作，否则继续比较直到主内存和工作内存中的值一致为止

CAS有3个操作数：内存值V，旧的预期值A，要修改的值B。当且仅当预期值和内存值V相同时，将内存值V修改为B,否则什么都不做

缺点

循环时间长，开销很大
CAS中的do while操作，如果CAS失败，会一直进行尝试，如果CAS长时间一直不成功，可能会给CPU带来很大的开销

do {
            var5 = this.getObjectVolatile(var1, var2);
        } while(!this.compareAndSwapObject(var1, var2, var5, var4));

只能保证一个共享变量的原子操作
ABA问题
产生原因：CAS算法实现一个重要前提需要去除内存中某时刻的数据并在当前时刻比较并替换，那么在这个时间差内会导致数据的变化线程one从内存位置V中取出A。这是另一个线程two，也从内存中取出A。并且线程two进行了一些操作将值变为了B，然后线程two又将V位置的数据变成A,这时线程one进行CAS操作发现内存中仍然时A，然后线程one操作成功尽管线程one的CAS操作是成功的，但是不代表这个和过程就是没有问题的
解决方法：带时间戳版本的AtomicStampedReference