简洁例子了解CAS

比眉伴天荒 2022-06-09 06:51 174阅读 0赞

### 前言 ###

CAS，Compare and Swap即比较并替换，设计并发算法时常用到的一种技术，Doug lea大神在java同步器中大量使用了CAS技术，鬼斧神工的实现了多线程执行的安全性。

目前的处理器基本都支持CAS，只不过不同的厂家的实现不一样罢了。**CAS有三个操作数：内存值V、旧的预期值A、要修改的值B，当且仅当预期值A和内存值V相同时，将内存值修改为B并返回true，否则什么都不做并返回false**。

### 实现分析 ###

先看一段代码

public int a = 1;
    public boolean compareAndSwapInt(int b) {
        if (a == 1) {
            a = b;
            return true;
        }
        return false;
    }

试想这段代码在多线程并发下，会发生什么？我们不妨来分析一下：

1.  线程A执行到 a==1，正准备执行a = b时，线程B也正在运行a = b，并在线程A之前把a修改为2；最后线程A又把a修改成了3。结果就是两个线程同时修改了变量a，显然这种结果是无法符合预期的，无法确定a的值。
2.  解决方法也很简单，在compareAndSwapInt方法加锁同步，变成一个原子操作，同一时刻只有一个线程才能修改变量a。

CAS中的比较和替换是一组原子操作，不会被外部打断，先根据paramLong/paramLong1获取到内存当中当前的内存值V，在将内存值V和原值A作比较，要是相等就修改为要修改的值B，属于硬件级别的操作，效率比加锁操作高。

java.util.concurrent.atomic包下的原子操作类都是基于CAS实现的，接下去我们通过**AtomicInteger**来看看是如何通过CAS实现原子操作的：

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
        // setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updates
        private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
        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;
        public final int get() {return value;}
    }

1.  Unsafe是CAS的核心类，Java无法直接访问底层操作系统，而是通过本地（native）方法来访问。不过尽管如此，JVM还是开了一个后门，JDK中有一个类Unsafe，它提供了硬件级别的**原子操作**。
2.  valueOffset表示的是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原值的。
3.  value是用volatile修饰的，保证了多线程之间看到的value值是同一份。

接下去，我们看看AtomicInteger是如何实现并发下的累加操作：

//jdk1.8实现
    public final int getAndAdd(int delta) {    
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta);
    }
    
    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;
    }

在jdk1.8中，比较和替换操作放在unsafe类中实现。

假设现在线程A和线程B同时执行getAndAdd操作：

1.  AtomicInteger里面的value原始值为3，即主内存中AtomicInteger的value为3，根据Java内存模型，线程A和线程B各自持有一份value的副本，值为3。
2.  线程A通过getIntVolatile(var1, var2)方法获取到value值3，线程切换，线程A挂起。
3.  线程B通过getIntVolatile(var1, var2)方法获取到value值3，并利用compareAndSwapInt方法比较内存值也为3，比较成功，修改内存值为2，线程切换，线程B挂起。
4.  线程A恢复，利用compareAndSwapInt方法比较，发手里的值3和内存值4不一致，**此时value正在被另外一个线程修改，线程A不能修改value值**。
5.  线程的compareAndSwapInt实现，循环判断，重新获取value值，因为value是volatile变量，所以线程对它的修改，线程A总是能够看到。线程A继续利用compareAndSwapInt进行比较并替换，直到compareAndSwapInt修改成功返回true。

整个过程中，利用CAS保证了对于value的修改的线程安全性。

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我们继续深入看看Unsafe类中的compareAndSwapInt方法。

public final native boolean compareAndSwapInt(Object paramObject, long paramLong, int paramInt1, int paramInt2);

可以看到，这是一个本地方法调用，这个本地方法在openjdk中依次调用c++代码：unsafe.cpp，atomic.cpp，atomic\_window\_x86.inline.hpp。下面是对应于intel X86处理器的源代码片段。

inline jint Atomic::cmpxchg (jint exchange_value, volatile jint* dest, jint compare_value) {
        int mp = os::isMP(); //判断是否是多处理器
        _asm {
            mov edx, dest
            mov ecx, exchange_value
            mov eax, compare_value
            LOCK_IF_MP(mp)
            cmpxchg dword ptr [edx], ecx
        }
    }

从上面的源码中可以看出，会根据当前处理器类型来决定是否为cmpxchg指令添加lock前缀。

1.  如果是多处理器，为cmpxchg指令添加lock前缀。
2.  反之，就省略lock前缀。（单处理器会不需要lock前缀提供的内存屏障效果）

intel手册对lock前缀的说明如下：

1.  确保对内存读改写操作的原子执行。  
    在Pentium及之前的处理器中，带有lock前缀的指令在执行期间会锁住总线，使得其它处理器暂时无法通过总线访问内存，很显然，这个开销很大。在新的处理器中，Intel使用缓存锁定来保证指令执行的原子性。缓存锁定将大大降低lock前缀指令的执行开销。
2.  禁止该指令，与前面和后面的读写指令重排序。
3.  把写缓冲区的所有数据刷新到内存中。

上面的第2点和第3点所具有的内存屏障效果，保证了CAS同时具有volatile读和volatile写的内存语义。

### CAS缺点 ###

CAS存在一个很明显的问题，即ABA问题。  
如果变量V初次读取的时候是A，并且在准备赋值的时候检查到它仍然是A，那能说明它的值没有被其他线程修改过了吗？如果在这段期间它的值曾经被改成了B，然后又改回A，那CAS操作就会误认为它从来没有被修改过。针对这种情况，java并发包中提供了一个带有标记的原子引用类"AtomicStampedReference"，它可以通过控制变量值的版本来保证CAS的正确性。

作者：占小狼  
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來源：简书  
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