CAS原理

一、什么是CAS？

比较并交换（compare and swap），它是一条CPU并发原语。判断内存某个位置的值是否为预期值，如果是的话则更新为新值，这个过程是原子的。

原语是操作系统的用语，是由若干条指定组成，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中断，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。

public class Solution
{
    public static void main(String[] args)
    {
        AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(5);
        System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(5,22)+ ". current data is: " + atomicInteger.get());
        System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(5,33)+ ". current data is: " + atomicInteger.get());
    }
}

运行结果：

true. current data is: 22
false. current data is: 22

public class Solution
{
    public static void main(String[] args)
    {
        AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(5);
        System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(5,22)+ ". current data is: " + atomicInteger.get());
        System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(22,33)+ ". current data is: " + atomicInteger.get());
    }
}

运行结果：

true. current data is: 22
true. current data is: 33

结果说明：

1、第一次运行，由于在物理内存中的值是5，所以符合expected的值，就修改为了22，而第二条语句的expected为5，但是现在值已经为22，所以不符合预期，就不能改变值。

2、第二次运行，每次的expected的值都为物理内存中的值，所以都进行了修改。

二、CAS底层原理，什么是UnSafe？

要点：UnSafe类（存在rt.jar中）+CAS自旋锁

AtomicInteger的源码

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 6214790243416807050L;
 
    // setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updates
    private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
    private static final long valueOffset;
 
    static {
        try {
            valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
                (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
        } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
    }
 
    private volatile int value;
}

1、Unsafe类

这是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，UnSafe相当于一个后门，基于该类可以直接操作特定内存的数据

UnSafe类存在于sun.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，因此Java中CAS操作执行依赖于UnSafe类

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

2、变量valueOffset，表示该变量在内存中的偏移地址，因为UnSafe就是根据内存偏移地址获取数据的。

//this:当前对象
//valueOffset：内存偏移量
 public final int getAndIncrement() {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
 }
//var1 AtomicInteger对象本身
//var2 该对象值的引用地址
//var4 需要变动的值
//var5 用var1 var2找出主内存中真实的值
//用该对象当前值与var5比较，如果相同，更新var5+var4返回true，如果不同，继续取值比较，直到更新完成
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;
}　　

总结：getAndIncrement()底层调用unsafe类方法，传入三个参数，unsafe.getAndAddInt()底层使用CAS思想，如果比较成功加1，如果比较失败则重新获得，再比较，直到成功

3、变量value用volatile修饰，保证了多线程之间的内存可见性

二、CAS缺点？

1、循环时间开销大（如果CAS失败，会一直尝试）

２、只能保证一个共享变量的原子操作。（对多个共享变量操作时，循环CAS无法保证操作的原子性，只能用加锁来保证）

3、存在ABA问题

四、原子类AtomicInteger类ABA问题及解决方案

1、ABA问题是怎么产生的？

当第一个线程执行CAS(V,E,U)操作，在获取到当前变量V，准备修改为新的值U之前。另外两个线程已经连续修改了两次变量V的值，使得该值又恢复为旧的值，这样我们就无法正确判断这个变量是否已经被修改过

2、ABA问题的解决方案：

AtomicStampedReference：是一个带有时间戳的对象引用，在每次修改后，不仅会设置新的值，还会记录修改的时间

AtomicMarkableReference：维护的是一个Boolean值的标识，这种方式并不能完全防止ABA问题的发生，只能减少ABA发生的概率

public class Solution
{
    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("========ABA问题的产生=========");
        new Thread(() ->
        {
            atomicReference.compareAndSet(100, 101);
            atomicReference.compareAndSet(101, 100);
        }, "t1").start();

        new Thread(() ->
        {
            try
            {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            }
            catch (InterruptedException e)
            {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(atomicReference.compareAndSet(100, 2019) + " " + atomicReference.get());
        }, "t2").start();
        TimeUnit.SECONDS.sleep(2);

        System.out.println("========ABA问题的解决=========");

        new Thread(() ->
        {
            int stamp = atomicStampedReference.getStamp();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "线程第1次版本号:" + stamp);
            try
            {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            }
            catch (InterruptedException e)
            {
                e.printStackTrace();
            }
            atomicStampedReference.compareAndSet(100, 101, atomicStampedReference.getStamp(), atomicStampedReference.getStamp() + 1);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "线程第2次版本号:" + atomicStampedReference.getStamp());
            atomicStampedReference.compareAndSet(101, 100, atomicStampedReference.getStamp(), atomicStampedReference.getStamp() + 1);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "线程第3次版本号:" + atomicStampedReference.getStamp());

        }, "t3").start();

        new Thread(() ->
        {
            int stamp = atomicStampedReference.getStamp();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "线程第1次版本号:" + stamp);
            try
            {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
            }
            catch (InterruptedException e)
            {
                e.printStackTrace();
            }
            boolean result = atomicStampedReference.compareAndSet(100, 2019, stamp, stamp + 1);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "修改成功否:" + result + "  当前最新版本号：" + atomicStampedReference.getStamp());
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "当前最新值：" + atomicStampedReference.getReference());

        }, "t4").start();
    }
}

运行结果：

========ABA问题的产生=========
true 2019
========ABA问题的解决=========
t3线程第1次版本号:1
t4线程第1次版本号:1
t3线程第2次版本号:2
t3线程第3次版本号:3
t4修改成功否:false  当前最新版本号：3
t4当前最新值：100

五、原子更新引用

class User
{
    User(String name, int age)
    {
        this.name = name;
        this.age = age;
    }
    private String name;
    private int age;
}

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

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException
    {
        AtomicReference<User> atomicReference = new AtomicReference<>();

        User user = new User("monster", 18);
        User updateUser = new User("jack", 25);

        atomicReference.set(user);
        System.out.println(atomicReference.get());
        atomicReference.compareAndSet(user, updateUser);
        System.out.println(atomicReference.get());
    }
}

运行结果：

User@74a14482
User@1540e19d