CAS底层原理

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

  1. 首先调用AtomicInteger创建一个实例,并初始化为5
    AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(5);
  2. 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)
  3. 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

  1. 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
  2. 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。
  3. 变量value用volatile修饰,保证了多线程之间的可见性。
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

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。

  1. 循环时间长,开销大。我们可以看到getAndInt方法执行时,有个do while 在这里插入图片描述 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。

  2. 只能保证一个共享变量的原子操作

  3. 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

常见面试问题

CAS你知道吗?如何实现的?

讲一讲AtomicInteger,为什么要用CAS而不是synchronized?

原子类AtomicInteger的ABA问题谈谈?原子更新引用知道吗?

CAS—>Unsafe—>CAS底层思想—>ABA---->原子引用—>如何规避ABA问题

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