1. 什么是 CAS？

1.1 悲觀鎖與樂(lè)觀鎖

悲觀鎖的原理是每次實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的增刪改的時(shí)候都進(jìn)?阻塞，防?數(shù)據(jù)發(fā)?臟讀。

樂(lè)觀鎖的原理是在數(shù)據(jù)庫(kù)更新的時(shí)候，??個(gè) version 字段來(lái)記錄版本號(hào)，然后通過(guò)?較是不是??要修改的版本號(hào)再進(jìn)?修改。這其中就引出了?種?較交換的思路來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的?致性，事實(shí)上，CAS 也是基于這樣的原理。

1.2 CAS 是什么？

CAS 是指 Compare And Swap，比較并交換，是一種無(wú)鎖原子算法，在不使用鎖（沒(méi)有線程被阻塞）的情況下實(shí)現(xiàn)多線程之間的變量同步。

JAVA 底層是 C++ 實(shí)現(xiàn)，映射到操作系統(tǒng)就是一條 cmpxchg 硬件匯編指令（保證原子性），其作用就是讓 CPU 將內(nèi)存值更新為新值，但是有個(gè)條件，內(nèi)存值必須與期望值相同。并且 CAS 操作無(wú)需用戶態(tài)與內(nèi)核態(tài)切換，直接在用戶態(tài)對(duì)內(nèi)存進(jìn)行讀寫(xiě)操作（意味著不會(huì)阻塞/線程上下文切換）。

java.util.concurrent.atomic 包中的原子類(lèi)就是通過(guò) CAS 來(lái)實(shí)現(xiàn)了樂(lè)觀鎖。

CAS 算法涉及到三個(gè)操作數(shù)：

• 需要更新的內(nèi)存變量值 V（volatile）；

• 上一次從內(nèi)存中讀取，進(jìn)行比較的預(yù)期原值 E（except）；

• 要寫(xiě)入的新值 N（new）。

當(dāng)且僅當(dāng) V 的值等于 E 時(shí)，CAS 通過(guò)原子方式用新值 N 來(lái)更新 V 的值（“比較 + 更新” 整體是一個(gè)原子操作），否則不會(huì)執(zhí)行任何操作，這就是一次 CAS 的操作。一般情況下，“更新” 是一個(gè)不斷重試的操作。

簡(jiǎn)單說(shuō)，CAS 需要你額外給出一個(gè)期望值，也就是你認(rèn)為這個(gè)變量現(xiàn)在應(yīng)該是什么樣子的，如果變量不是你想象的那樣，說(shuō)明它已經(jīng)被別人修改過(guò)了，你只需要重新讀取，設(shè)置新期望值，再次嘗試修改就好了。

2. CAS 核心源碼

java.util.concurrent.atomic 包中的原子類(lèi)就是通過(guò) CAS 思想來(lái)實(shí)現(xiàn)，CAS 思想實(shí)現(xiàn)靠的是 Unsafe 類(lèi)。以 AtomicInteger 為例：

Unsafe 類(lèi)是 CAS 的核心類(lèi)，由于 Java 方法無(wú)法直接訪問(wèn)底層系統(tǒng)，需要通過(guò)本地（native）方法來(lái)訪問(wèn)，Unsafe 相當(dāng)于一個(gè)后門(mén)，基于該類(lèi)可以直接操作特定內(nèi)存的數(shù)據(jù)。Unsafe 類(lèi)存在于 sun.misc 包中，其內(nèi)部方法操作可以像C的指針一樣直接操作內(nèi)存。

valueOffset 表示當(dāng)前類(lèi)對(duì)象中使用變量的偏移量，Unsafe 就是根據(jù)內(nèi)存偏移地址獲取數(shù)據(jù)的。

value 要修改的值，用 volatile 修飾，保證了多線程之間的內(nèi)存可見(jiàn)性。

一起看一下 AtomicInteger.getAndIncrement() 方法是怎么替換內(nèi)容的：

public final int getAndIncrement() {
	// 拿到當(dāng)前對(duì)象和當(dāng)前對(duì)象的地址，然后加一。
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
}

// var1 就是當(dāng)前對(duì)象，var2 就是當(dāng)前對(duì)象的內(nèi)存地址，var4 就是要加的數(shù)
public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
	// 舊的預(yù)期值
    int var5;
    do {
        // 獲得當(dāng)前 var2 地址中的值，可以理解為從當(dāng)前主物理內(nèi)存中拷貝一份到自己的本地內(nèi)存
        var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
    } 
	// 如果var1 = var5，執(zhí)行var5 + var4，執(zhí)行成功返回 true，跳出 while 循環(huán)，執(zhí)行失敗返回false，自旋
	while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));

    return var5;
}

UNSAFE_ENTRY(jboolean, Unsafe_CompareAndSetInt(JNIEnv *env, jobject unsafe, jobject obj, jlong offset, jint e, jint x)) {
  oop p = JNIHandles::resolve(obj);
  jint* addr = (jint *)index_oop_from_field_offset_long(p, offset);

  return (jint)(Atomic::cmpxchg(x, addr, e)) == e;
} UNSAFE_END

首先獲取 var5 舊的預(yù)期值，然后調(diào)用底層代碼 Unsafe_CompareAndSetInt。下面看 Unsafe_CompareAndSetInt 怎么做的：

第一步通過(guò) JNIHandles::resolve() 獲取 obj 在內(nèi)存中 OOP 實(shí)例；
第二步根據(jù)成員變量 value 反射后計(jì)算出的內(nèi)存偏移值 offset 去內(nèi)存中取指針 addr；
最后通過(guò) Atomic::cmpxchg(x, addr, e) 實(shí)現(xiàn) CAS。

3. CAS 實(shí)現(xiàn)原子操作的三大問(wèn)題

3.1 ABA 問(wèn)題

并發(fā)環(huán)境下，假設(shè)初始條件是 A，去修改數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)是 A 就會(huì)執(zhí)行修改。但是看到的雖然是 A，中間可能發(fā)生了 A 變 B，B 又變回 A 的情況。此 A 已經(jīng)非彼 A，數(shù)據(jù)即使成功修改，也可能有問(wèn)題。

怎么解決 ABA 問(wèn)題？

加版本號(hào)。

每次修改變量，都在這個(gè)變量的版本號(hào)上加1，這樣發(fā)生 A->B->A 時(shí)，雖然 A 的值沒(méi)變，但是它的版本號(hào)已經(jīng)變了，再判斷版本號(hào)就會(huì)發(fā)現(xiàn)此時(shí)的 A 已經(jīng)被改過(guò)了。參考樂(lè)觀鎖的版本號(hào)，這種做法可以給數(shù)據(jù)帶上了一種時(shí)效性的檢驗(yàn)。

Java 提供了 AtomicStampReference 類(lèi)，它的 compareAndSet 方法首先檢查當(dāng)前的對(duì)象引用值是否等于預(yù)期引用，并且當(dāng)前版本號(hào)（Stamp）標(biāo)志是否等于預(yù)期標(biāo)志，如果全部相等，則以原子方式將引用值和版本號(hào)標(biāo)志的值更新為給定的更新值。

3.2 循環(huán)性能開(kāi)銷(xiāo)

自旋 CAS，如果一直循環(huán)執(zhí)行，一直不成功，會(huì)給 CPU 帶來(lái)非常大的執(zhí)行開(kāi)銷(xiāo)。

怎么解決循環(huán)性能開(kāi)銷(xiāo)問(wèn)題？

在 Java 中，很多使用自旋 CAS 的地方，會(huì)有一個(gè)自旋次數(shù)的限制，超過(guò)一定次數(shù)，就停止自旋。

3.3 只能保證一個(gè)變量的原子操作

CAS 保證的是對(duì)一個(gè)變量執(zhí)行操作的原子性，如果對(duì)多個(gè)變量操作時(shí)，CAS 目前無(wú)法直接保證操作的原子性的。

怎么解決只能保證一個(gè)變量的原子操作問(wèn)題？

• 可以考慮改用鎖來(lái)保證操作的原子性
• 可以考慮合并多個(gè)變量，將多個(gè)變量封裝成一個(gè)對(duì)象，從 Java 1.5 開(kāi)始，JDK 提供了 AtomicReference 類(lèi)來(lái)保證引用對(duì)象之間的原子性，就可以把多個(gè)變量放在一個(gè)對(duì)象里來(lái)進(jìn)行 CAS 操作。

4. synchronized、volatile、CAS 比較

（1）synchronized 是悲觀鎖，屬于搶占式，會(huì)引起其他線程阻塞。

（2）volatile 提供多線程共享變量可見(jiàn)性和禁止指令重排序優(yōu)化。

（3）CAS 是基于沖突檢測(cè)的樂(lè)觀鎖（非阻塞）。文章來(lái)源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-458506.html

到了這里，關(guān)于【Java 并發(fā)編程】CAS 原理解析的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請(qǐng)?jiān)谟疑辖撬阉鱐OY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！