CAS底层原理

最新推荐文章于 2025-06-23 03:26:18 发布

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分类专栏： Java 文章标签： java

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概念

CAS（Compare-and-Swap），即比较并替换，它是一条CPU并发原语。是一种实现并发算法时常用到的技术。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，这个过程是原子的。
CAS并发原语体现在JAVA语言中就是sun.misc.Unsafe类中的各个方法。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。
再次强调，由于CAS是一种系统原语，原语属于操作系统用语范畴，是由若干条指令组成的，用于完成某个功能的一个过程，并且原语执行必须是连续的，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。

public final boolean compareAndSet(int expect, int update) 如果当前值为期望值，则将值设置为给定的更新值

代码使用

首先调用AtomicInteger创建一个实例，并初始化为5
AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(5);
调用CAS方法，企图更新为2019，这里有2个参数，一个是5表示期望值，第二个就是我们要更新的值。
atomicInteger.compareAndSet(5, 2019)
在第二步的基础上，再使用一次CAS，同样将值改为2019
atomicInteger.compareAndSet(5, 2019)

完整代码如下：

/**
 * CAS是什么？===> compareAndSet
 * 比较并交换
 */
public class CASDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个原子类
        AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(5);

        /**
         * 一个是期望值，一个是更新值，但期望值和原来的值相同时，才能够更改
         * 假设三秒前，我拿的是5，也就是expect为5，然后我需要更新成 2019
         */
        System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(5, 2019) + "\t current data: " + atomicInteger.get());

        System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(5, 2019) + "\t current data: " + atomicInteger.get());
    }
}

上面代码的执行结果为：
在这里插入图片描述
这是因为我们执行第一个的时候，期望值和原本值是满足的，因此修改成功，但是第二次后，主内存的值已经修改成了2019，不满足期望值，因此返回了false，本次写入失败

在这里插入图片描述

CAS底层原理

Unsafe类（保证原子性）+自旋锁

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类存在与sun,misc包中，其内部方法操作可以想C的指针一样直接操作内存，Java中CAS操作的执行依赖于Unsafe类的方法。
注意Unsafe类中的所有方法都是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
变量valueOffset，表示该变量值在内存中的偏移地址，因为Unsafe就是根据内存偏移地址获取数据的。
变量value用volatile修饰，保证了多线程之间的可见性。

var5就是我们从主内存中拷贝到工作内存中的值（每次都要从主内存拿到最新的值到自己的本地内存，然后执行compareAndSwapInt()和主内存中的值进行比较。因为线程不可以直接操作主内存，所以执行上述方法需要比较一次，再执行加1操作）

假设执行 compareAndSwapInt返回false，那么就一直执行 while方法，直到期望的值和真实值一样

val1：AtomicInteger对象本身
var2：该对象值得引用地址
var4：需要变动的数量
var5：用var1和var2找到的内存中的真实值
用该对象当前的值与var5比较
如果相同，更新var5 + var4 并返回true
如果不同，继续取值然后再比较，直到更新完成

这里没有用synchronized，而用CAS，这样提高了并发性，也能够实现一致性，是因为每个线程进来后，进入的do while循环，然后不断的获取内存中的值，判断是否为最新，然后在进行更新操作

CAS缺点

不加锁，保证一致性，但是需要多次比较。

循环时间长，开销大。我们可以看到getAndInt方法执行时，有个do while 如果CAS失败，会一直进行尝试。如果CAS长时间不成功，可能会给CPU带来很大的开销。
只能保证一个共享变量的原子操作
引出来ABA问题

ABA问题

CAS算法实现一个重要前提，需要取出内存中某时刻的数据并在当下时刻比较并替换，那么这个时间差会导致数据的变化。
比如说线程1从内存位置V中取出A，这时候线程2也从内存中取出A,并且线程2进行了一些操作将值变成了B,然后线程2又将V位置的数据变成A,这时候线程1进行CAS操作发现内存中仍然是A,然后线程1操作成
成功。

尽管线程1的CAS操作成功，但是不代表这个过程是没有问题的。

ABA问题的解决

AtomicReference原子引用

AtomicReference是作用是对”对象”进行原子操作。提供了一种读和写都是原子性的对象引用变量。原子意味着多个线程试图改变同一个AtomicReference(例如比较和交换操作)将不会使得AtomicReference处于不一致的状态。

AtomicReference和AtomicInteger非常类似，不同之处就在于AtomicInteger是对整数的封装，底层采用的是compareAndSwapInt实现CAS，比较的是数值是否相等，而AtomicReference则对应普通的对象引用，底层使用的compareAndSwapObject实现CAS，比较的是两个对象的地址是否相等。也就是它可以保证你在修改对象引用时的线程安全性。

AtomicStampedReference版本号原子引用

AtomicStampedReference它内部不仅维护了对象值，还维护了一个时间戳（我这里把它称为时间戳，实际上它可以使任何一个整数，它使用整数来表示状态值）。当AtomicStampedReference对应的数值被修改时，除了更新数据本身外，还必须要更新时间戳。当AtomicStampedReference设置对象值时，对象值以及时间戳都必须满足期望值，写入才会成功。因此，即使对象值被反复读写，写回原值，只要时间戳发生变化，就能防止不恰当的写入