Java CAS机制

一. 什么是CAS？

CAS是一个硬件同步原语。

CAS Compare And Swap（比较并交换）

过程讲解。例如以 count++为例

1）当前线程1读取count的当前值E，此时读取到的值为4；

2）计算结果值V，count++ 结果为5；

3）比较此时count的当前值E和最新值N，两者相等的话，即此时count没有修改，结果值为2）计算的结果值V，将结果值更新，即将count更新为5，计算结束；

4）如果当前值E和最新值N不相等，则表示count被别的线程修改过，结果值需要重新结算。重复1）~4)步骤，直至最后更新成功。

二、CAS作用

CAS操作的就是乐观锁（自旋锁），每次不加锁而是假设没有冲突而去完成某项操作，如果因为冲突失败就重试，直到成功为止。即通过自旋实现同步。

在JDK1.5之后，Java程序中才可以使用CAS操作，该操作由sun.misc.Unsafe类里面的compareAndSwapInt()和compareAndSwapLong()等几个方法包装提供。另外，Java提供了原子操作类的包java.util.concurrent.atomic，以AtomicInteger为例，

很容易看到，AtomicInteger实现原子操作CAS,实际上是通过Unsafe实现的。

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 6214790243416807050L;

    // 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;

CAS的操作也是通过Unsafe.compareAndSwapInt实现。


    /**
     * Atomically sets the value to the given updated value
     * if the current value {@code ==} the expected value.
     *
     * @param expect the expected value
     * @param update the new value
     * @return {@code true} if successful. False return indicates that
     * the actual value was not equal to the expected value.
     */
    public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
    }

我们在看看AtomicInteger实现自增原子处理


    /**
     * Atomically increments by one the current value.
     *
     * @return the previous value
     */
    public final int getAndIncrement() {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
    }

getIntVolatile为读取最新值

    /**
     * var2：当前值E，var5为最新值N。
     * var4为1，新增加的值，结果值V为var5+var4
     */
    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;
    }

三、什么是原子操作？

操作不可再分，要么全部完成，要么全部都不做。

3.1 哪些是原子操作？

例如：synchronized包裹的代码块就是原子操作。synchronized是一种比较重的原子操作。

3.2 原子操作类

JDK 提供了Atomic工具包。

更新基本类型：AtomicInteger、AtomicLong、AtomicBoolean

更新数组类型：AtomicIntegerArray、AtomicLongArray、AtomicRefrenceArray

更新引用类型：AtomicRefrence、AtomicMarkableRefrence(版本戳、有没有人动过)、AtomicStempedRefrence（版本戳，动过几次）

四、CAS原理

利用了现代处理器都支持的CAS指令。

4.2 悲观锁和乐观锁

悲观锁：

乐观锁：

乐观锁的效率要大于悲观锁。

上下文切换需要20000个CPU周期。3~5ms*2

自旋：死循环。

五、CAS问题

5.1 ABA问题

5.2 开销问题

5.3 只能保证一个变量的原子操作

参考文献：

1.马士兵2021年最新Java多线程高并发编程详细讲解