Java多线程之CAS深入解析

小咪咪 2022-01-27 12:41 339阅读 0赞

# Java多线程之CAS深入解析 #

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## 目录： ##

1.  CAS是什么
2.  CAS底层原理Unsafe深入解析
3.  CAS缺点

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###### 引子：`蚂蚁花呗一面：讲一讲AtomicInteger,为什么要用CAS而不是synchronized？` ######

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### 1. CAS是什么 ###

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1.  CAS的全称为Compare-And-Swap，它是一条CPU并发原语。
2.  它的功能是判断内存某个位置的值是否为期望值，如果是则更改为新的值，这个过程是原子的。
3.  CAS并发原语体现在JAVA语言中就是sun.misc.Unsafe类中的CAS方法，JVM会帮我们实现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范，是由若干条指令组成的，用于完成某个功能的一个过程，并且原语的执行必须是连续的，在执行过程中不允许被中断，也就说CAS是一条CPU的原了指令，不会造成所谓的数据不一致问题。

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**简单测试代码：**

public class CASDemo {
        
        public static void main(String[] args) {
        
            AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(5);
            
            // main do thing
            System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(5, 6)+"current data:"+atomicInteger.get());
    
            System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(5, 2019)+"current data:"+atomicInteger.get());
        }
    }

编译结果：

![在这里插入图片描述][2019052619541042.png]

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### 2. CAS底层原理Unsafe深入解析 ###

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1.  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相当于一个后门，基于该类可以直接操作特定内存的数据。Unsafe类存在于sun.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。
2.  注意Unsafe类中的所有方法都是native修饰的，也就是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。  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MTkxMDY5NA_size_16_color_FFFFFF_t_70]
3.  原子整型在i++中操作多线程环境下不需要加synchronized，也能保证线程安全，是因为它用的是Unsafe类，源代码如下：  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MTkxMDY5NA_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MTkxMDY5NA_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]
4.  源码解析，图如下  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MTkxMDY5NA_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]  
    解析：getAndAddInt()方法底层调用的是unsafe，传三个参数，当前对象，内存地址偏移量，增量1，底层调用的是CAS思想，如果比较成功+1，失败再重新获得比较一次，直至成功为止。
    
    ![代码：先通过this.getIntVolatile(var1,var2)获得初始值（例如5），如果过了一会，this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5+ var4)再去比较，当前值是不是5，如果是，5+1. 返回true，跳出while循环。][this.getIntVolatile_var1_var2_5_this.compareAndSwapInt_var1_ var2_ var5_ var5_ var4_5_5_1. _true_while]

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假设线程A和线程B两个线程同时执行getAndAddInt操作（分别跑在不同CPU上）：

1.  Atomiclnteger里面的value原始值为3，即主内存中Atomiclnteger的value为3，根据JMM模型，线程A和线程B各自持有一份值为3的value的副本分别到各自的工作内存。
2.  线程A通过getIntVolatile(var1，var2）拿到value值3，这时线程A被挂起。
3.  线程B也通过getIntVolatile(var1，var2）方法获取到value值3，此时刚好线程B没有被挂起并执行compareAndSwaplnt方法  
    比较内存值也为3，成功修改内存值为4，线程B打完收工，一切OK
4.  这时线程A恢复，执行compareAndSwaplnt方法比较，发现自己手里的值数字3和主内存的值数字4不一致，说明该值己  
    经被其它线程抢先一步修改过了，那A线程本次修改失，只能重新读取重新来一遍了。
5.  线程A重新获取value值，因为变量value被volatile修饰，所以其它线程对它的修改，线程A总是能够看到，线程A继续执  
    行compareAndSwaplnt进行比较替换，直到成功。

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1.  Unsafe底层汇编![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MTkxMDY5NA_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]

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### 3. CAS缺点 ###

篇幅原因，新开了一个博客文章进行解析，请看：

[Java基础之CAS缺点][Java_CAS]

[2019052619541042.png]: /images/20220127/9be8f285ed9646f091a4cac6eeb3b8be.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MTkxMDY5NA_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20220127/222cf5b25d4f4d11a00ed794b21a1d44.png
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[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MTkxMDY5NA_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]: /images/20220127/77ee01f7a44c49d0bfa09532c93fa574.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MTkxMDY5NA_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]: /images/20220127/a321bf7ce71d4d058a44df0921a5c56d.png
[this.getIntVolatile_var1_var2_5_this.compareAndSwapInt_var1_ var2_ var5_ var5_ var4_5_5_1. _true_while]: /images/20220127/daeb3890817c48ddad698858f8c5ade5.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MTkxMDY5NA_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]: /images/20220127/5b141d61b0e648df87ba48eec8f80b45.png
[Java_CAS]: https://blog.csdn.net/weixin_41910694/article/details/90580112