Java CAS底层原理

青旅半醒 2023-06-13 09:58 78阅读 0赞

# Java CAS底层原理 #

Java CAS底层原理，这一篇就够了！！！

**CAS全称（Conmpare And Swap）比较并交换，是一种用于在多线程环境下实现同步功能的机制。CAS 操作包含三个操作数 – 内存地址、预期值和新值。CAS 的实现逻辑是将内存地址的数值与预期数值想比较，若相等，则将内存位置处的值替换为新值。若不相等，则不做任何操作。**

**JAVA中CAS是通过自旋操作完成赋值，若值不相等再更新预期值、重新计算新值，接着进行CAS操作，直到成功为止。底层是JVM调用操作系统原语指令`unsafe`，并由CPU完成原子操作，你要知道并发/多线程环境下如果CPU没有原子操作我们是无法完成。**

*  JAVA1.5开始引入了CAS，主要代码都放在JUC的atomic包下，如下图：  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2gyNzM5Nzk1ODY_size_16_color_FFFFFF_t_70]
 *  JUC包下源码如下：  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2gyNzM5Nzk1ODY_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]
 *  每一个操作都是调用`unsafe`方法实现结果。这是java自旋完成CAS源码：  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2gyNzM5Nzk1ODY_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

### CAS优点 ###

*  **没有引用锁的概念，并发量不高情况下提高效率**
 *  **减少线程上下文切换**

### CAS缺点 ###

*  **cpu开销大，在高并发下，许多线程，更新一变量，多次更新不成功，循环反复，给cpu带来大量压力。**
 *  **只是一个变量的原子性操作，不能保证代码块的原子性。**
 *  **ABA问题**

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# ABA问题 #

**CAS带来最大问题就是ABA问题。有A、B两个线程，A线程运行10s，B线程运行2s，两个线程同一时间开始运行都修改同一变量m，假设m初始值为5，B线程修改m值5改为10，再修改m值10改为5。此时A线程修改m值5改为6，修改成功，满足CAS操作原理，而A线程认为m一直都是5，它并不知道m的值已经被修改过。**

解决该问题通过添加版本号来解决，每次修改都带着本次修改的版本号，发现版本不是当前版本此修改失败，否则修改成功。如果自旋同理重新获得版本号计算旧值、新值等。

public class ABA { 
    
        //ABA问题产生与解决
        static AtomicReference<Integer> atomicReference = new AtomicReference<>(100);
        static AtomicStampedReference<Integer> atomicStampedReference = new AtomicStampedReference<>(100, 1);
    
        public static void main(String[] args) { 
            //==========ABA问题的产生==========
            System.out.println("==========ABA问题的产生==========");
    
            new Thread(() -> { 
                atomicReference.compareAndSet(100, 101);
                atomicReference.compareAndSet(101, 100);
            }, "t1").start();
    
            new Thread(() -> { 
                //保证t1线程完成
                try { 
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) { 
                    e.printStackTrace();
                }
    
                System.out.println(atomicReference.compareAndSet(100, 2019) + "\t" + atomicReference.get());
            }, "t2").start();
    
            //暂停一会
            try { 
                Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) { 
                e.printStackTrace();
            }
    
            //==========ABA问题的解决==========
            System.out.println("==========ABA问题的解决==========");
    
            new Thread(() -> { 
                int stamp = atomicStampedReference.getStamp();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t第一次版本号：" + stamp);
    
                try { 
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) { 
                    e.printStackTrace();
                }
    
                atomicStampedReference.compareAndSet(100, 101, stamp, stamp + 1);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t第二次版本号：" + atomicStampedReference.getStamp());
                atomicStampedReference.compareAndSet(101, 100, atomicStampedReference.getStamp(), atomicStampedReference.getStamp() + 1);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t第三次版本号：" + atomicStampedReference.getStamp());
            }, "t3").start();
    
            new Thread(() -> { 
                int stamp = atomicStampedReference.getStamp();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t第一次版本号：" + stamp);
    
                try { 
                    Thread.sleep(2000);
                } catch (InterruptedException e) { 
                    e.printStackTrace();
                }
    
                boolean result = atomicStampedReference.compareAndSet(100, 101, stamp, stamp + 1);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t修改成功否" + result + "\t当前最前版本号：" + atomicStampedReference.getStamp());
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t当前实际值：" + atomicStampedReference.getReference());
            }, "t4").start();
        }
    }

*  运行结果：  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2gyNzM5Nzk1ODY_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]

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