Java 中 CAS

一、CAS 概念

CAS ,全称 Compare And Swap(比较与交换)，解决多线程并行情况下使用锁造成性能损耗的一种机制。

实现思想 CAS(V、A、B) ，V为内存地址，A为预期原值，B 为新值。如果内存地址的值与预期原址相匹配，那么将该位置值更新为新值。否则说明已经被其他线程更新，处理器不做任何处理。

无论哪种情况，它都会在 CAS 指令之前返回该位置的值。而我们可以使用自旋锁，循环CAS ,重新读取该变量再次尝试修改该变量，也可以放弃操作

 

 CAS操作由处理器提供支持，是一种原语。原语是操作系统或计算机网络用语范畴。是由若干条指令组成的，用于完成一定功能的一个过程，具有不可分割性，即原语的执行必须是连续的，在执行过程中不允许被中断。如 Intel 处理器，比较并交换通过指令的 cmpxchg 系列实现。处理器相关指令不做过多介绍，有兴趣的可自行查阅资料。

二、JDK1.8 中的CAS

Unsafe类，在sun.misc包下，不属于Java标准。Unsafe类提供一系列增加Java语言能力的操作，如内存管理、操作类/对象/变量、多线程同步等。其中与CAS相关的方法有以下几个：

//var1为CAS操作的对象，offset为var1某个属性的地址偏移值，expected为期望值，var2为要设置的值，利用JNI来完成CPU指令的操作
public final native boolean compareAndSwapObject(Object var1, long offset, Object expected, Object var2);
public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long offset, int expected, int var2);
public final native boolean compareAndSwapLong(Object var1, long offset, long expected, long var2);

/** 如果CAS成功，return oldValue, oldValue =  oldValue + addValue
     *  如果CAS失败，自旋，一直运行，直到成功为止
     */
    public final Xxx getAndAddXxx(Object var1, long offset, long addValue) {
        int oldValue;
        do {
            oldValue = this.getIntVolatile(var1, offset);
        } while(!this.compareAndSwapInt(var1, offset, oldValue, oldValue + addValue));

        return oldValue;
    }

    /** 如果CAS成功，return oldValue, oldValue =  newValue
     *  如果CAS失败，自旋，一直运行，直到成功为止
     */
    public final Xxx getAndSetXxx(Object var1, long offset, Object newValue) {
        int oldValue;
        do {
            oldValue = this.getXxxVolatile(var1, offset);
        } while(!this.compareAndSwapXxx(var1, offset, oldValue, newValue));

        return oldValue;
    }

　一般不建议使用Unsafe类，除非对它有很深入的了解。

　　

　　java.util.concurrent包中大量使用了CAS原理，如AtomicInteger类，都是调用上面几个Unsafe方法保证多线程数据的正确性

　　以下是AtomicInteger的CAS操作相关源码

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 6214790243416807050L;

    // setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updates
    // Unsafe类，提供一系列增强Java的功能，如内存管理、操作类/对象/变量、多线程同步等。不建议开发者调用
    private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
    // 获取对象某个属性的地址偏移值
    private static final long valueOffset;

    static {
        try {
            // value相对“起始地址”的偏移量
            valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
                    (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
        } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
    }

    // value值， volatile修饰，保证不同线程间的可见性
    private volatile int value;
    public AtomicInteger(int initialValue) { value = initialValue; }
    public AtomicInteger() {}

    public final int get() { return value; }
    public final void set(int newValue) { value = newValue; }

    /**
     * Eventually sets to the given value.
     *
     * @param newValue the new value
     * @since 1.6
     */
    public final void lazySet(int newValue) {
        //有序或者有延迟的putIntVolatile方法
        unsafe.putOrderedInt(this, valueOffset, newValue);
    }

    /**
     * Atomically sets to the given value and returns the old value.
     * @param newValue the new value
     * @return the previous value
     */
    public final int getAndSet(int newValue) {
        return unsafe.getAndSetInt(this, valueOffset, newValue);
    }

    /**
     * Atomically sets the value to the given updated value
     * if the current value {@code ==} the expected value.
     * @param expect the expected value
     * @param update the new value
     * @return {@code true} if successful. False return indicates that
     * the actual value was not equal to the expected value.
     */
    public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
        // JNI调用，实现CAS
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
    }

    /**
     * i++ 操作
     * Atomically increments by one the current value.
     * @return the previous value
     */
    public final int getAndIncrement() {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
    }

    /**
     * i-- 操作
     * Atomically decrements by one the current value.
     * @return the previous value
     */
    public final int getAndDecrement() {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, -1);
    }

    /**
     * return i, i = i + n 操作
     * Atomically adds the given value to the current value.
     * @param delta the value to add
     * @return the previous value
     */
    public final int getAndAdd(int delta) {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta);
    }

    /**
     * ++i 操作
     * Atomically increments by one the current value.
     * @return the updated value
     */
    public final int incrementAndGet() {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
    }

    /**
     * --i 操作
     * Atomically decrements by one the current value.
     * @return the updated value
     */
    public final int decrementAndGet() {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, -1) - 1;
    }

    /**
     * i = i + n ,return i操作
     * Atomically adds the given value to the current value.
     * @param delta the value to add
     * @return the updated value
     */
    public final int addAndGet(int delta) {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta) + delta;
    }
    // 其余函数，略...

三、CAS缺点

　CAS有几个缺点：

　　1、ABA问题。当第一个线程执行CAS操作，尚未修改为新值之前，内存中的值已经被其他线程连续修改了两次，使得变量值经历 A -> B -> A的过程。

　　解决方案：添加版本号作为标识，每次修改变量值时，对应增加版本号； 做CAS操作前需要校验版本号。JDK1.5之后，新增AtomicStampedReference类来处理这种情况。

　　2、循环时间长开销大。如果有很多个线程并发，CAS自旋可能会长时间不成功，会增大CPU的执行开销。

　　3、只能对一个变量进原子操作。JDK1.5之后，新增AtomicReference类来处理这种情况，可以将多个变量放到一个对象中。

参考：https://www.cnblogs.com/Shuuichi/p/10590710.html