CAS详解

一简介
二 CAS底层原理
- 2.1.AtomicInteger内部的重要参数
- 2.2.AtomicInteger.getAndIncrement()分析
- - 2.2.1.getAndIncrement()方法分析
  - 2.2.2.举例分析
三 CAS缺点
四 CAS会导致"ABA问题"
- 4.1.AtomicReference 原⼦引⽤。
- 4.2.ABA问题的解决(AtomicStampedReference 类似于时间戳)
- - 4.2.1 ABA问题的产生演示
  - 4.2.2.ABA问题的解决

一简介

CAS的全称为Compare-And-Swap，⽐较并交换，是⼀种很重要的同步思想。它是⼀条CPU并发原语。
它的功能是判断主内存某个位置的值是否为跟期望值⼀样，相同就进⾏修改，否则⼀直重试，直到⼀致为⽌。这个过程是原⼦的。

看下⾯这段代码，思考运⾏结果是

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

/**
 * CAS的全称为Compare-And-Swap，比较并交换，是一种很重要的同步思想。它是一条CPU并发原语。
 * 它的功能是判断主内存某个位置的值是否为跟期望值一样，相同就进行修改，否则一直重试，直到一致为止。这个过程是原子的。
 */
public class CASDemo {
    public static void main(String[] args) {
        AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(5);
        //CAS操作
        System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(5, 2000) + "\t最终值:" + atomicInteger.get());
        System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(5, 1024) + "\t最终值:" + atomicInteger.get());
        //true	最终值:2000
        //false	最终值:2000
    }
}

分析

第⼀次修改，期望值为5，主内存也为5，修改成功，为2000。
第⼆次修改，期望值为5，主内存为2000，修改失败，需要重新获取主内存的值。

CAS并发原语体现在JAVA语⾔中就是sum.misc.Unsafe类中的各个⽅法。看⽅法源码，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，并且原语的执⾏执⾏是连续的，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。

二 CAS底层原理

在这里插入图片描述

2.1.AtomicInteger内部的重要参数

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 相当于⼀个后⾯，基于该类可以直接操作特定内存的数据。Unsafe类存在于sum.misc包中，其内部⽅法操作可以像C的指针⼀样直接操作内存，因为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内存可⻅性。

2.2.AtomicInteger.getAndIncrement()分析

2.2.1.getAndIncrement()方法分析

AtomicInteger.getAndIncrement()调⽤了 Unsafe.getAndAddInt()⽅法。 Unsafe类的⼤部分⽅法都是 native的，⽤来像C语⾔⼀样从底层操作内存。
在这里插入图片描述
C语句代码JNI，对应java⽅法 public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5)

UNSAFE_ENTRY(jboolean, Unsafe_CompareAndSwapInt(JNIEnv *env, jobject unsafe, jobject obj, jlong offset,jint e, jint x)) 
UnsafeWrapper("Unsafe_CompareAndSwapInt"); 
oop p = JNIHandles::resolve(obj); 
jint* add = (jint *)index_oop_from_field_offset_long(p, offset); return (jint)(Atomic::cmpxchg(x,addr,e))==e; 
UNSAFE_END 
//先想办法拿到变量value在内存中的地址addr。 
//通过Atomic::cmpxchg实现⽐较替换，其中参数x是即将更新的值，参数e是原内存的值

在这里插入图片描述

这个⽅法的var1和var2，就是根据对象和偏移量得到在主内存的快照值var5。然后
compareAndSwapInt⽅法通过var1和var2得到当前主内存的实际值。如果这个实际值跟快照值相
等，那么就更新主内存的值为var5+var4。如果不等，那么就⼀直循环，⼀直获取快照，⼀直对⽐，直到实际值和快照值相等为⽌。

参数介绍
var1 AtomicInteger对象本身
var2 该对象值的引⽤地址
var4 需要变动的数量
var5 是通过var1和var2，根据对象和偏移量得到在主内存的快照值var5

2.2.2.举例分析

⽐如有A、B两个线程，⼀开始都从主内存中拷⻉了原值为3，
A线程执⾏到 var5=this.getIntVolatile，即var5=3。
此时A线程挂起，B修改原值为4，B线程执⾏完毕，由于加了volatile，所以这个修改是⽴即可⻅的。
A线程被唤醒，执⾏ this.compareAndSwapInt()⽅法，发现这个时候主内存的值不等于快照值3，所以继续循环，重新从主内存获取。
在这里插入图片描述

三 CAS缺点

在这里插入图片描述

CAS实际上是⼀种⾃旋锁，

⼀直循环，开销⽐较⼤。我们可以看到getAndAddInt⽅法执⾏时，有个do while，如果CAS失败，会⼀直进⾏尝试。如果CAS⻓时间⼀直不成功，可能会给CPU带来很⼤的开销。
对⼀个共享变量执⾏操作时，我们可以使⽤循环CAS的⽅式来保证原⼦操作，但是，对多个共享变量操作时，循环CAS就⽆法保证操作的原⼦性，这个时候就可以⽤锁来保证原⼦性。
引出了ABA问题。

四 CAS会导致"ABA问题"

在这里插入图片描述
所谓ABA问题，就是CAS算法实现需要取出内存中某时刻的数据并在当下时刻⽐较并替换，这⾥存在⼀个时间差，那么这个时间差可能带来意想不到的问题。
⽐如，⼀个线程A 从内存位置Value中取出3，这时候另⼀个线程B 也从内存位置Value中取出3，并且线程B进⾏了⼀些操作将值变成了4，然后线程C⼜再次将值变成了3，这时候线程A进⾏CAS操作发现内存中仍然是3，然后线程A操作成功。
尽管线程A的CAS操作成功，但是不代表这个过程就是没有问题的。在这里插入图片描述

有这样的需求，⽐如CAS，只注重头和尾，只要⾸尾⼀致就接受。
但是有的需求，还看重过程，中间不能发⽣任何修改，这就引出了

4.1.AtomicReference 原⼦引⽤。

AtomicInteger对整数进⾏原⼦操作，如果是⼀个POJO呢？可以⽤ AtomicReference来包装这个 POJO，使其操作原⼦化。

public class AtomicReferenceDemo {
    public static void main(String[] args) {
        User user1 = new User("Jack",25);
        User user2 = new User("Tom",21);
        User user3 = new User("Ros",28);
        AtomicReference<User> atomicReference = new AtomicReference<>();
        atomicReference.set(user1);
        //CAS操作 主内存中的原始值user1和期望值user1比较相等,返回值为true且将主内存中的原始值修改为user2;
        System.out.println(atomicReference.compareAndSet(user1,user2)+"\t"+atomicReference.get());
        //CAS操作 主内存中的原始值user2和期望值user1比较不相等,返回值为false,不更新期望值;
        System.out.println(atomicReference.compareAndSet(user1,user3)+"\t"+atomicReference.get());
        //true	User(username=Tom, age=21)
        //false	User(username=Tom, age=21)
    }
}

4.2.ABA问题的解决(AtomicStampedReference 类似于时间戳)

在这里插入图片描述
使⽤ AtomicStampedReference类可以解决ABA问题。这个类维护了⼀个“版本号”Stamp，在进⾏CAS 操作的时候，不仅要⽐较当前值，还要⽐较版本号。只有两者都相等，才执⾏更新操作。
解决ABA问题的关键⽅法：
在这里插入图片描述
参数说明：
V expectedReference, 预期值引⽤
V newReference, 新值引⽤
int expectedStamp，预期值时间戳
int newStamp, 新值时间戳

4.2.1 ABA问题的产生演示

public class AtomicReferenceDemo2 {
    static AtomicReference<Integer> atomicReference = new AtomicReference<>(100);
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("========ABA问题的产生=========");
        new Thread(() -> {
            //CAS 主内存中的原始值100和期望值100比较相等,返回值为true且将主内存中的原始值修改为111;
            atomicReference.compareAndSet(100, 111);
            //CAS 主内存中的原始值111和期望值111比较相等,返回值为true且将主内存中的原始值修改为100;
            atomicReference.compareAndSet(111, 100);

        }, "t1").start();

        new Thread(() -> {
            //CAS
            System.out.println(atomicReference.compareAndSet(100, 2020) + "\t" + atomicReference.get());
        }, "t2").start();
    }

4.2.2.ABA问题的解决

package thread;

import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicStampedReference;

/**
 * ABA问题
 */
public class ABADemo {
    
    //带有时间戳的原子引用 (共享内存值100， 版本号为1)
    static AtomicStampedReference<Integer> atomicStampedReference = new AtomicStampedReference<>(100, 1);

    public static void main(String[] args) {

        System.out.println("=========ABA问题的解决===========");
        new Thread(() -> {
            //获取第一次的版本号
            int stamp = atomicStampedReference.getStamp();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t第一次版本号" + stamp);

            //CAS 共享内存值100和期望值100比较相等,且共享内存时间戳和预期值时间戳相等;返回值为true且将共享内存值修改为111时间戳为2;
            try {//休眠一秒,模拟并发，给ThreadA预留时间启动。
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            atomicStampedReference.compareAndSet(
                    100,
                    111,
                    atomicStampedReference.getStamp(),
                    atomicStampedReference.getStamp() + 1

            );
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t第二次版本号：" + atomicStampedReference.getStamp());

            //CAS 共享内存值111和期望值111比较相等,且共享内存时间戳和预期值时间戳相等;返回值为true且将共享内存值修改为100时间戳为3;
            atomicStampedReference.compareAndSet(
                    111,
                    100,
                    atomicStampedReference.getStamp(),
                    atomicStampedReference.getStamp() + 1
            );
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t第三次版本号：" + atomicStampedReference.getStamp());


        }, "ThreadB").start();


        new Thread(() -> {
            //获取第一次的版本号
            int stamp = atomicStampedReference.getStamp();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t第一次版本号" + stamp);

            //CAS 休眠3秒，与ThreadB时间差。模拟挂起;让ThreadB先执行,经过线程B的操作当前共享内存值为100，时间戳为3
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            //共享内存值100和期望值100比较相等,但是共享内存时间戳3和预期值时间戳1不相等;返回值为false,不修改共享内存值和时间戳;
            boolean result = atomicStampedReference.compareAndSet(
                    100,
                    2020,
                    stamp,
                    stamp + 1
            );
            System.out.println(
                    Thread.currentThread().getName()
                            + "\t修改是否成功：" + result
                            + "\t当前最新的版本号：" + atomicStampedReference.getStamp()
                            + "\t当前最新的值：" + atomicStampedReference.getReference()
            );


        }, "ThreadA").start();
        //=========ABA问题的解决===========
        //ThreadB	第一次版本号1
        //ThreadA	第一次版本号1
        //ThreadB	第二次版本号：2
        //ThreadB	第三次版本号：3
        //ThreadA	修改是否成功：false	当前最新的版本号：3	当前最新的值：100
    }
}