【JAVA】CAS总结

绝地灬酷狼 2024-03-16 17:15 11阅读 0赞

### 什么是CAS ###

CAS的全称为Compare-And-Swap，直译就是对比交换。是一条CPU的原子指令，其作用是让CPU先进行比较两个值是否相等，然后原子地更新某个位置的值，其实现方式是基于硬件平台的汇编指令，就是说CAS是靠硬件实现的，JVM只是封装了汇编调用。

简单解释：CAS操作需要输入两个数值，一个旧值(期望操作前的值)和一个新值，在操作期间先比较下在旧值有没有发生变化，如果没有发生变化，才交换成新值，发生了变化则不交换。

CAS操作是原子性的，所以多线程并发使用CAS更新数据时，可以不使用锁。

### CAS的优缺点 ###

优点：

1.  由于CAS是非阻塞的，可避免死锁，线程间的互相影响非常小。
2.  没有锁竞争带来的系统开销，也没有线程间频繁调度的开销。

缺点：

1.  可能自旋循环时间过长。如果某个线程通过CAS方式操作某个变量不成功，长时间自旋，则会对CPU带来较大开销。怎么解决：限制自旋次数。
2.  只是一个变量的原子性操作，不能保证代码块的原子性。
3.  ABA问题。

### CAS底层原理 ###

1.  java 的 cas 利用的的是 unsafe 这个类提供的 cas 操作。
2.  unsafe 的cas 依赖了的是 jvm 针对不同的操作系统实现的 Atomic::cmpxchg
3.  Atomic::cmpxchg 的实现使用了汇编的 cas 操作，并使用 cpu 硬件提供的 lock信号保证其原子性

### CAS 可能会导致什么问题？ ###

CAS存在ABA问题：

*  当前线程只能感知共享变量的值有没有改变，假设别人从A改成了B，又改成了A，则当前线程感知不到，即ABA问题
 *  可以使用版本号机制解决ABA问题，如原子类AtomicStampedReference，加入了版本号，每当修改值，版本号就会+1
 *  如 AtomicStampedReference 加入了版本号，每当修改值，版本号就会+1。这样根据版本号就知道有没有别的线程修改过，而且还能知道修改过几次
 *  再如 AtomicMarkableReference，他的版本号是一个boolean类型，所以只能判断是否修改过值，不知道修改过几次。
    
    AtomicMarkableReference只能缓解ABA问题，如果别人修改标记后，又改回来，则无法感知。

CAS 机制可以高效地实现原子操作，但仍不完美：

1.  循环时间长开销大：CAS 大量失败后长时间占用 CPU 资源，加大了系统性能开销
2.  只能保证一个共享变量的原子操作：当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
3.  ABA 问题：CAS 机制本质上依赖值有没有发生变化的操作条件。但是如果值原来是 A、被改成变成了 B、最后又变回了 A，那么使用 CAS 进行检查时会发现它的值没有发生变化进行了操作，但是实际上却变化了，这其实违背了约定的条件。

**Java的JUC包里有没有现成的类可以解决CAS的ABA问题？**

*  **原子引用：(乐观锁思想) AtomicStampedReference** 类可以解决ABA问题。这个类维护了一个【版本号】Stamp，其实有点类似乐观锁的意思。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。

/**
     * @description: 解决 CAS 带来的 ABA问题
     */
    public class ABADemo2 {
        
    	//6为传入的值，1为版本号
        static AtomicStampedReference<Integer> atomic = new AtomicStampedReference<>(6, 1);
    
        public static void main(String[] args) {
        
    
            //使用版本号机制来验证ABA问题
            new Thread(() -> {
        
                //获取当前版本号
                int stamp = atomic.getStamp();
                System.out.println("线程A1的版本号为：" + stamp);
                try {
        
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                } catch (InterruptedException e) {
        
                    e.printStackTrace();
                }
    			//如果当前引用 等于 预期值并且 当前版本戳等于预期版本戳, 将更新新的引用和新的版本戳到内存
    			//compareAndSet(V expectedReference,V newReference,int expectedStamp,int newStamp);
                atomic.compareAndSet(6, 10, atomic.getStamp(), atomic.getStamp() + 1);
                System.out.println("线程A2的版本号为：" + atomic.getStamp());
    
                System.out.println(atomic.compareAndSet(10, 6, atomic.getStamp(), atomic.getStamp() + 1));
                System.out.println("线程A3的版本号为：" + atomic.getStamp());
    
            }, "线程A:").start();
    
            //使用【乐观锁】思想解决ABA问题
            new Thread(() -> {
        
                int stamp = atomic.getStamp();
                System.out.println("线程B1的版本号为：" + stamp);
                try {
        
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                } catch (InterruptedException e) {
        
                    e.printStackTrace();
                }
    
                System.out.println(atomic.compareAndSet(6, 2, stamp, stamp + 1));
                System.out.println("线程B2的版本号为：" + atomic.getStamp());
    
            }, "线程B：").start();
        }
    }

*  AtomicStampedReference<>(6, 1)； 这两个参数不要填的太大，因为我们本次测试用的是 Integer 类型
 *  Integer 使用了对象缓存机制，默认范围是 -128 ~ 127 ，推荐使用静态工厂方法 valueOf 获取对象实例，而不是 new，因为 valueOf 使用缓存，而 new一定会创建新的对象分配新的内存空间。

> 为什么会导致ABA问题？
> 
> 这是因为 CAS 算法是在某一时刻取出内存值然后在当前的时刻进行比较，中间存在一个时间差，在这个时间差里就可能会产生 ABA 问题。

### Java哪些地方使用了CAS？ ###

Java提供的API中使用CAS的地方有很多,比较典型的使用场景有**原子类、AQS、并发容器**。

*  对于原子类,以AtomicInteger为例,它的内部提供了诸多原子操作的方法。如原子替换整数值、增加指定的值、加1,这些方法的底层便是采用操作系统提供的CAS原子指令来实现的。
 *  对于AQS,在向同步队列的尾部追加节点时,它首先会以CAS的方式尝试一次,如果失败则进入自旋状态（在队列中自旋）,并反复以CAS的方式进行尝试。此外,在以共享方式释放同步状态时,它也是以CAS方式对同步状态进行修改的。
 *  对于并发容器,以ConcurrentHashMap为例,它的内部多次使用了CAS操作。
    
     *  在初始化数组时,它会以CAS的方式修改初始化状态,避免多个线程同时进行初始化。
     *  在执行put方法初始化头节点时,它会以CAS的方式将初始化好的头节点设置到指定槽的首位,避免多个线程同时设置头节点。在数组扩容时,每个线程会以CAS方式修改任务序列号来争抢扩容任务,避免和其他线程产生冲突。
     *  在执行get方法时,它会以CAS的方式获取头指定槽的头节点,避免其他线程同时对头节点做出修改。

CAS的实现离不开操作系统原子指令的支持,Java中对原子指令封装的方法集中在Unsafe类中，包括：原子替换引用类型、原子替换int型整数、原子替换long型整数。这些方法都有四个参数：var1、var2、var4、var5,其中var1代表要操作的对象,var2代表要替换的成员变量,var4代表期望的值,var5代表更新的值。