CAS

最新推荐文章于 2024-03-21 04:52:51 发布

NJUdudu

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分类专栏：并发编程

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CAS（Compare and Swap）是一种用于多线程同步的原子操作，常用于无锁编程。本文介绍了CAS的基本概念，它在AtomicInteger中的应用，以及存在的ABA问题、循环开销大和多变量操作非原子性等挑战。为解决ABA问题，通常会在变量前添加版本号。Java的AtomicReference类支持对引用对象间的原子性操作。

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一、CAS简介

比较并交换(compare and swap, CAS)，是原子操作的一种，可用于在多线程编程中实现不被打断的数据交换操作，从而避免多线程同时改写某一数据时由于执行顺序不确定性以及中断的不可预知性产生的数据不一致问题。该操作通过将内存中的值与指定数据进行比较，当数值一样时将内存中的数据替换为新的值。

CAS算法涉及到三个操作数：

需要读写的内存值 V。
进行比较的值 A。
要写入的新值 B。

当且仅当 V 的值等于 A 时，CAS通过原子方式用新值B来更新V的值（“比较+更新”整体是一个原子操作），否则不会执行任何操作。一般情况下，“更新”是一个不断重试的操作。

二、CAS在AtomicInteger中的应用

// ------------------------- JDK 8 -------------------------
// AtomicInteger 自增方法
public final int incrementAndGet() {
  return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
}

// Unsafe.class
public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
  int var5;
  do {
      var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
  } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));
  return var5;
}

// ------------------------- OpenJDK 8 -------------------------
// Unsafe.java
public final int getAndAddInt(Object o, long offset, int delta) {
   int v;
   do {
       v = getIntVolatile(o, offset);
   } while (!compareAndSwapInt(o, offset, v, v + delta));
   return v;
}

根据OpenJDK 8的源码我们可以看出，getAndAddInt()循环获取给定对象o中的偏移量处的值v，然后判断内存值是否等于v。如果相等则将内存值设置为 v + delta，否则返回false，继续循环进行重试，直到设置成功才能退出循环，并且将旧值返回。整个“比较+更新”操作封装在compareAndSwapInt()中，在JNI里是借助于一个CPU指令完成的，属于原子操作，可以保证多个线程都能够看到同一个变量的修改值。

后续JDK通过CPU的cmpxchg指令，去比较寄存器中的 A 和内存中的值 V。如果相等，就把要写入的新值 B 存入内存中。如果不相等，就将内存值 V 赋值给寄存器中的值 A。然后通过Java代码中的while循环再次调用cmpxchg指令进行重试，直到设置成功为止。

三、CAS存在的问题

1、ABA问题。

ABA问题是无锁结构实现中常见的一种问题，可基本表述为：

进程P1读取了一个数值A
P1被挂起(时间片耗尽、中断等)，进程P2开始执行
P2修改数值A为数值B，然后又修改回A
P1被唤醒，比较后发现数值A没有变化，程序继续执行。
对于P1来说，数值A未发生过改变，但实际上A已经被变化过了，继续使用可能会出现问题。在CAS操作中，由于比较的多是指针，这个问题将会变得更加严重。试想如下情况：

   top
    |
    V   
  0x0014
| Node A | --> |  Node X | --> ……

有一个堆(先入后出)中有top和节点A，节点A目前位于堆顶top指针指向A。现在有一个进程P1想要pop一个节点，因此按照如下无锁操作进行

pop()
{
  do{
    ptr = top;            // ptr = top = NodeA
    next_prt = top->next; // next_ptr = NodeX
  } while(CAS(top, ptr, next_ptr) != true);
  return ptr;   
}

而进程P2在执行CAS操作之前打断了P1，并对堆进行了一系列的pop和push操作，使堆变为如下结构：

   top
    |
    V  
  0x0014
| Node A | --> | Node B | --> |  Node X | --> ……

进程P2首先pop出NodeA，之后又Push了两个NodeB和A。

这时P1又开始继续运行，在执行CAS操作时，因此将top的值修改为了NodeX，这时堆结构如下：

                                   top
                                    |
   0x0014                           V
 | Node A | --> | Node B | --> |  Node X | --> ……

经过CAS操作后，top指针错误的指向了NodeX而不是NodeB。
此处是由于内存回收问题导致的ABA问题，因为A被弹出后，需要保证他的内存不能立即被释放（还有线程在引用它），也就不能被立即重用。
ABA问题的解决思路就是在变量前面添加版本号，每次变量更新的时候都把版本号加一，这样变化过程就从“A－B－A”变成了“1A－2B－3A”。