java基础----CAS

一.什么是cas

　　CAS的全称是Compare-And-Swap，他是一条CPU并发原语。

　　java中的CAS，都是通过unsafe类实现的，其主要的操作是，当一个线程从主内存拿到一个变量到自己工作内存，并经过计算处理，准备写回主内存的时候，会首先比对当前主内存的变量指向的内存地址里面的值，与期望值（线程一开始拿变量时，变量对应的值）是否相等，如果相等，则表示没有其他线程对这个变量操作过，随后就将要更新的值写进主内存中。假如不相等，则表示有线程修改过这个变量，则会把主内存中变量的最新值拿回去，重新做一次计算操作，以此循环。

 

二.cas的底层原理

下面是java atomicInteger的代码：

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

下面是unsafe.class中的代码(这个类是java的原生类，在jdk的rt.jar/sun/misc里面)：

//第一个参数var1为给定对象，var2为对象内存的偏移量，通过这个偏移量迅速定位字段并设置或获取该字段的值，
//var5表示期望值，var4表示要添加的数值
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;
}

       一般来说，java无法直接访问底层系统，需要通过本地native方法来访问，而unsafe相当于一个后门，基于该类可以直接操作特定的内存。

　　可以看出，unsafe类可以直接操作指针，根据给定的对象和内存偏移量迅速地获取到变量值。在do...while中，首先根据对象和内存偏移量拿到一个值作为期望值，然后在while的条件语句中，再一次根据对象和内存偏移量获取变量的当前值，并与期望值作出对比，如果相等，则加上var4。假如不相等，则从新获得期望值，并循环。

 

三.CAS的缺点

　　最明显的一点，CAS有可能出现一个很长的循环，假如线程一直没有写成功，那他就会一直自旋，非常消耗CPU资源。而且它只能保证一个共享变量的操作，对于多变量操作，只能加锁。

　　其次就是ABA问题，导致ABA问题的原因是两个线程的工作时间差距太大。例如线程a需要10秒，线程b需要2秒，它们同时从主线程中拿到x1并开始工作，在10秒中，线程b先把x1改成x2，x2改成x3。。。。最后x3又该回去x1，这时候线程a算出结果x4并对主内存中的变量进行CAS操作，通过比较期望值和现时变量的值发现是一致的，就认为这段时间里面没有其他线程对变量进行修改过，但是实际上，这个变量以及是被修改过多次了。

　　那么我们改如何解决ABA问题呢？

　　这里涉及到一个概念叫原子引用，在实现原子性的过程中，我们可以使用java 里面的atomic类，但是有时候一些数据类需要我们自己去定制，那这些类又怎么实现原子性呢。java里面有个类叫AtomicReference，是一个原子封装类，把我们自己定义的数据类传进去之后，就可以基于CAS实现原子性。下面举个例子

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;

class User{
    String userName;
    int age;

    public String getUserName() {
        return userName;
    }

    public void setUserName(String userName) {
        this.userName = userName;
    }

    public User(String name, int age){
        this.userName = name;
        this.age = age;
    }

    public String toString(){
        return "userName: " + this.userName + ", age: " + this.age;
    }
}

public class AtomicReferenceDemo {
    public static void main(String[] args) {
        User u1 = new User("z3",22);
        User u2 = new User("li4", 34);
        AtomicReference<User> atomicReference = new AtomicReference<User>();
        atomicReference.set(u1);
        System.out.println(atomicReference.compareAndSet(u1,u2) + "\t" + atomicReference.get().toString());
        System.out.println(atomicReference.compareAndSet(u1,u2) + "\t" + atomicReference.get().toString());
    }
}

　　然后，在原子引用的基础上，延伸出了版本原子引用，就是在CAS的基础上，对主内存中的数据记录一个版本号（时间戳），这样在实现CAS的过程中，除了比对期望值和实际值是否相等之外，还会比对版本号是否有变动过，这样可以准确地知道数据究竟有没有被修改过，也可以有效地规避ABA问题。下面还是上一段代码：

import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicStampedReference;

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

    public static void main(String[] args) {

        //ABA问题演示，最终t2线程成功修改了变量的值
        /*
        new Thread(()->{
            atomicReference.compareAndSet(100, 101);
            atomicReference.compareAndSet(101, 100);
        },"t1").start();

        new Thread(()->{
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            atomicReference.compareAndSet(100, 200);
        },"t2").start();
         */

        //版本原子引用下解决ABA原子引用问题示例
        new Thread(()->{
            int stamp = atomicStampedReference.getStamp();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t当前版本" + atomicStampedReference.getStamp() + "\t当前值" + atomicStampedReference.getReference());
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            atomicStampedReference.compareAndSet(100,101,stamp,stamp+1);
            stamp = stamp + 1;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t当前版本" + atomicStampedReference.getStamp() + "\t当前值" + atomicStampedReference.getReference());
            atomicStampedReference.compareAndSet(101,100,stamp,stamp+1);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t当前版本" + atomicStampedReference.getStamp() + "\t当前值" + atomicStampedReference.getReference());
        },"t3").start();

        new Thread(()->{
            int stamp = atomicStampedReference.getStamp();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t当前版本" + atomicStampedReference.getStamp() + "\t当前值" + atomicStampedReference.getReference());
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            if(atomicStampedReference.compareAndSet(100,200,stamp,stamp+1)){
                System.out.println("t4 修改成功！！！");
            } else {
                System.out.println("t4 修改失败！！！");
            }
        },"t4").start();

        while (Thread.activeCount() > 2){
            Thread.yield();
        }

        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t当前版本" + atomicStampedReference.getStamp() + "\t当前值" + atomicStampedReference.getReference());
    }
}

　　运行结果：

　　　　t3 当前版本1 当前值100
　　　　t4 当前版本1 当前值100
　　　　t3 当前版本2 当前值101
　　　　t3 当前版本3 当前值100
　　　　t4 修改失败！！！
　　　　main 当前版本3 当前值100

　　从上面可以看到，线程t3将变量的值从100修改成101，再从101修改为100，最后t4想去将变量的值从100修改为200的时候，修改失败，因为t4一开始拿的版本号是1，最后去做写操作的时候发现版本号是3，虽然变量的值都是100，但是变量明显被人修改过了，因此修改失败。