【JUC进阶】一文深度讲解CAS

Dear 丶 2024-03-25 21:10 18阅读 0赞

#### 文章目录 ####

*  1. 什么是CAS
 *  2. CAS的工作原理
 *  3. CAS的缺点
 *   *  3.1 循环时间长开销大
     *  3.2 只能保证一个共享变量的原子操作
     *  3.3 ABA问题

## 1. 什么是CAS ##

在JDK5之前，可以通过synchronized或Lock来保证高并发的业务场景下的线程安全，但是synchronized或Lock都属于互斥锁的方案，**互斥锁所带来的比较重量级、加锁、释放锁都会带来性能上的损耗。**

于是，就出现了CAS机制实现无锁的解决方案，CAS和乐观锁类似，CAS可以达到非阻塞同步的方式来保证线程安全。

**CAS是现代CPU广泛支持的一种对内存中共享数据进行操作的一种特殊指令**，**这个指令可以对内存中的共享数据做原子的读写操作。**

**CAS的核心思想就是让CPU比较内存中某个值是否和预期值相同，如果相同则将这个值设置为新值，如果不相同则不做更新操作。**

![image-20211231142156322][]

**CAS的基本流程如上所示：**

1.  程序一开始读取某块内存的值为E，现要将数据E更新为数据V
2.  将新的数据V写入这块内存之前，首先比较一下当前这个内存的值是否等于E
    
    1.  如果等于，那么说明没有其他线程修改过这个内存的值（这样说法是错的，因为还存在ABA问题），进行更新操作。
    2.  如果不等于，说明其他线程将这个内存的值修改了，则不进行更新操作。

**上述这些操作都是由CPU指令来保证原子性的。**

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## 2. CAS的工作原理 ##

**在CAS底层的实现原理，实际上是通过Unsafe类和自旋锁来实完成的。**

在`AtomicInteger`源码中，可以看见都是通过`Unsafe`类来实现更新的。

`Unsafe`类是JDK内部常用工具栏，\*\*它通过暴露一些Java意义上说“不安全”的功能给Java层代码，来让JDK能够更多的使用Java代码来实现一些原本是平台相关的、需要使用native语言（例如C或C++）才可以实现的功能。\*\*该类不应该在JDK核心类库之外使用，这也是命名为Unsafe（不安全）的原因。

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
        
        private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
        private static final long valueOffset;
        static {
        
            try {
        
                // 用于获取value字段相对当前对象的“起始地址”的偏移量
                valueOffset = unsafe.objectFieldOffset(AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
            } catch (Exception ex) {
         throw new Error(ex); }
        }
    
        private volatile int value;
    
        //返回当前值
        public final int get() {
        
            return value;
        }
    
        //递增加detla
        public final int getAndAdd(int delta) {
        
            // 1、this：当前的实例 
            // 2、valueOffset：value实例变量的偏移量 
            // 3、delta：当前value要加上的数(value+delta)。
            return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta);
        }
    
        //递增加1
        public final int incrementAndGet() {
        
            return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
        }
        ...
    }

Unsafe里关于对象字段访问的方法把对象布局抽象出来，它提供了`objectFieldOffset()`方法用于获取某个字段相对Java对象的“起始地址”的偏移量，也提供了`getInt、getLong、getObject`之类的方法可以使用前面获取的偏移量来访问某个Java对象的某个字段。在`AtomicInteger`的`static`代码块中便使用了`objectFieldOffset()`方法。

**Unsafe类的功能主要分为内存操作、CAS、Class相关、对象操作、数组相关、内存屏障、系统相关、线程调度等功能。这里我们只需要知道其功能即可，方便理解CAS的实现，注意不建议在日常开发中使用。**

public final int incrementAndGet() {
        
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
    }

上述代码等于是AtomicInteger调用UnSafe类的CAS方法，JVM帮我们实现出汇编指令，从而实现原子操作。

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;
    }

在上面的`getAndAddInt`方法中三个参数

1.  第一个参数表示当前对象，也就是new的那个AtomicInteger对象
2.  第二个表示内存地址；
3.  第三个表示自增步伐，在AtomicInteger\#incrementAndGet中默认的自增步伐是1。

在`getAndAddInt`方法中，会首先将当前对象主内存的值赋值给`val5`，然后进入`while`循环，判断当前对象此刻主内存中的值是否等于`val5`，如果是，那么就更新内存中的值，否则继续循环，重写获取`val5`的值（这里是针对上面的`incrementAndGet`自增来说的）

**这样的话即使有其他线程修改了内存的值，CAS会比对内存值是否和预期值相同从而判断是否要更新内存的值。同时因为上面的`compareAndSwapInt`是一个`native`方法，这个方法汇编之后是CPU原语指令，原语指令是连续执行不会被打断的，所以可以保证原子性。**

**像上面`getAndAddInt`方法中的`do while`循环操作，就是所谓的自旋，如果预期值和主内存的值不一样，则需要重新获取主内存的值，这就是自旋。**

**CAS虽然解决了多线程下的安全问题，但是存在一个非常明显的缺点，那就是当内存使用自旋进行CAS更新的时候（while循环CAS更细你，如果更新失败，则），如果长时间不成功，对CPU来说将会造成极大的开销。**

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## 3. CAS的缺点 ##

CAS虽然高效实现了原子性的操作，但是存在下面三个缺点：

1.  循环时间长，开销大
2.  只能保证一个共享变量的原子操作
3.  ABA问题

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### 3.1 循环时间长开销大 ###

前面也提到了Unsafe的实现使用了自旋锁的机制，如果当前CAS操作失败，就需要循环进行CAS，如果长时间不成功，那么就会造成CPU极大的开销。

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### 3.2 只能保证一个共享变量的原子操作 ###

CAS是一个针对一个共享变量使用的机制，可以保证原子性，但是如果存在多个共享变量，或者需要一整块代码的逻辑都保证线程安全，那么CAS就无法保证原子操作了，这时候就需要考虑使用synchronized或Lock这些重量级锁来保证线程安全了。

或者将多个共享变量合并程一个共享变量从而进行CAS操作。

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### 3.3 ABA问题 ###

**虽然使用CAS可以实现非阻塞式的原子性操作，但是会产生ABA问题**

1.  线程A在共享变量读到的值为A
2.  线程A被抢夺了，线程B执行
3.  线程B将数据A改为B，再改为A，此时被线程A抢占
4.  线程A此时看见共享变量的值没有改变，于是继续执行

虽然线程A以为变量值没有改变，继续执行了，但是这个会引发一些潜在的问题。ABA问题最容易发生在`lock free`的算法中的，**CAS首当其冲，因为CAS判断的是指针的地址。如果这个地址被重用了呢，问题就很大了（地址被重用是很经常发生的，一个内存分配后释放了，再分配，很有可能还是原来的地址）。**

**ABA问题的解决思路就是使用版本号：在变量前面追加上版本号，每次变量更新的时候把版本号加1，那么A->B->A就会变成1A->2B->3A。**

从Java 1.5开始，JDK的`Atomic`包里提供了一个类`AtomicStampedReference`来解决ABA问题。这个类的`compareAndSet`方法的作用是首先检查当前引用是否等于预期引用，并且检查当前标志是否等于预期标志，如果全部相等，则以原子方式将该引用和该标志的值设置为给定的更新值。

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> 参考：[一篇搞定CAS，深度讲解，面试实践必备 - 腾讯云开发者社区-腾讯云 (tencent.com)][CAS_ - _-_ _tencent.com]

[image-20211231142156322]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/25/ca018d4a2d3f4ef18ee1a8d3e3689b8c.png
[CAS_ - _-_ _tencent.com]: https://cloud.tencent.com/developer/article/2061598