CAS简介

CAS 全称是 compare and swap,是一种用于在多线程环境下实现同步功能的机制。

CAS 它是一条CPU并发原语。操作包含三个操作数 -- 内存位置、预期数值和新值。CAS 的实现逻辑是将内存位置处的数值与预期数值想比较,若相等,则将内存位置处的值替换为新值。若不相等,则不做任何操作。这个过程是原子的。

CAS并发原语体现在java语言中的sun.misc.Unsafe类中的各个方法。调用Unsafe类中的CAS方法,JVM会帮我们实现汇编指令。这是一种完全依赖硬件的功能,通过它实现了原子操作。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,并且原语的执行必须是连续的,在执行过程中不允许被打断,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。

Unsafe类

Unsafe类是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,基于该类可以直接操作特定内存的数据。Unsafe类存在与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。

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。

代码解析

public class CASDemo {
    public static void main(String[] args) {
        AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(5);
        
        // 运行结果: true   2019
        System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(5, 2019) + "\t" + atomicInteger.get());
        // 运行结果: false  2019
        System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(5, 1024) + "\t" + atomicInteger.get());

        // 此方法可以解决多线程环境下i++问题,底层使用的是Unsafe类CAS和自旋锁
        atomicInteger.getAndIncrement();
    }
}

源码分析:

/**
     * Atomically increments by one the current value.
     *
     * @return the previous value
     */
    public final int getAndIncrement() {
        // this=当前对象 valueOffset=内存偏移量(内存地址) 1=固定值,每次调用+1
        // Unsafe就是根据内存偏移地址获取数据的。
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
    }
    
    /**
     * 为了方便查看和添加注释,此方法是从Unsafe类中复制出来的
     */
    public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
            int var5;
            do {
                // 获取var1对象,内存地址在var2的值。
                // 相当于这个线程从主物理内存中取值copy到自己的工作内存中。
                var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
                
                // 比较并交换,如果var1对象,内存地址在var2的值和var5值一样,那么就+1
                // compareAndSwapInt如果返回true,取反为false,说明更新成功,退出循环,则返回。
                // compareAndSwapInt如果返回false,取反为true,说明当前线程工作内存中的值和主物理内存中的值不一样,被其他线程修改了,则继续循环获取比较,直到更新成功为止。
            } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));
    
            return var5;
        }

执行过程说明:

  • 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):
  • AtomicInteger里面的value原始值为3,即主内存中 AtomicInteger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。
  • 线程A通过 getIntVolatile(var1,var2)拿到value值3,这时线程A被挂起。
  • 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 compareAndSwapInt方法
    比较内存值也为3,成功修改内存值为4,线程B改完收工,一切OK。
  • 这时线程A恢复,执行 compareAndSwapInt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,说明该值已
    经被其它线程抢先一步修改过了,那A线程本次修改失败,只能重新读取重新来一遍了。
  • 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
    了 compareAndSwapInt进行比较替换,直到成功。

volatile简单说明:
volatile是一个轻量级的同步机制, 三大特性: 保证可见性, 不保证原子性, 禁止指令重排。

  • 可见性: 多个线程从主内存中copy一份数据,修改后,需要将自己的数据重新写入主内存,并通知其他线程数据已更新,保证数据可见性,和多线程数据一致性。
  • 禁止指令重排: 由于指令重排,会对代码的执行顺序进行优化,可能会导致最后的结果和期望的结果不一致,所以需要禁止重排。

CAS的优缺点

优点

  • 不需要加锁,保持了一致性和并发性。

缺点

  • 循环时间长开销很大:我们可以看到getAndAddInt方法执行时,如果CAS失败,会一直进行尝试。如果CAS长时间一直不成功,可能会给CPU带来很大的开销。
  • 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,这个时候就可以用锁来保证原子性。
  • ABA问题:下面会提供详细案例

ABA问题

举个栗子说明:
主内存有个数据值:A,两个线程A和B分别copy主内存数据到自己的工作区,A执行比较慢,需要10秒, B执行比较快,需要2秒, 此时B线程将主内存中的数据更改为B,过了一会又更改为A,然后A线程执行比较,发现结果是A,以为别人没有动过,然后执行更改操作。其实中间已经被更改过了,这就是ABA问题。
也就是ABA问题只要开始时的数据和结束时的数据一致,我就认为没改过,不管过程。
尽管A线程的CAS操作是成功的,但是不代表这个过程就是没问题的。

ABA问题说简单点就是,预判值还是和当初抓取的一样,但是这个“ 值 ”的版本可能不一样了,在某些不仅要考虑数据值是否一致,还要考虑版本是否一致的场景下需要注意.

Java并发包为了解决这个问题,提供了一个带有标记的原子引用类“AtomicStampedReference”,它可以通过控制变量值的版本来保证CAS的正确性。

解决ABA问题的代码示例

/**
 * 解决CAS的ABA问题
 */
public class SolveABAOfCAS {

    static AtomicReference<Integer> atomicReference = new AtomicReference<>(100);
    static AtomicStampedReference<Integer> atomicStampedReference = new AtomicStampedReference<>(100, 1);

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        System.out.println("==========以下是ABA问题的产生==========");
        new Thread(() -> {
            atomicReference.compareAndSet(100, 101);
            atomicReference.compareAndSet(101, 100);
        }, "t1").start();

        new Thread(() -> {
            try {
                // 暂停1秒钟,保证上面完成一次ABA操作
                Thread.sleep(1000);
                System.out.println(atomicReference.compareAndSet(100, 2019) + "\t" + atomicReference.get());
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }, "t2").start();

        Thread.sleep(2000);
        System.out.println("==========以下是ABA问题的解决==========");
        new Thread(() -> {
            int stamp = atomicStampedReference.getStamp();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t第1次版本号" + stamp);
            try {
                // 暂停一秒钟t3线程
                Thread.sleep(1000);
                atomicStampedReference.compareAndSet(100, 101, atomicStampedReference.getStamp(), atomicStampedReference.getStamp() + 1);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t第2次版本号" + atomicStampedReference.getStamp());
                atomicStampedReference.compareAndSet(101, 100, atomicStampedReference.getStamp(), atomicStampedReference.getStamp() + 1);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t第3次版本号" + atomicStampedReference.getStamp());
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }, "t3").start();

        new Thread(() -> {
            int stamp = atomicStampedReference.getStamp();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t第1次版本号" + stamp);
            try {
                // 暂停3秒钟t4线程,保证上面的t3线程完成一次ABA操作
                Thread.sleep(3000);
                boolean result = atomicStampedReference.compareAndSet(100, 2019, stamp, stamp + 1);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t修改成功否: " + result + "\t当前最新实际版本号: " + atomicStampedReference.getStamp());
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t当前实际最新值: " + atomicStampedReference.getReference());
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }, "t4").start();

    }
}