简单了解什么是CAS
- Compare And Swap，比较并交换
- 通常指的是这样一种原子操作：针对一个变量，首先比较它的内存值与某个期望值是否相同，如果相同，就给它赋一个新值。
- CAS 的伪代码的逻辑：
if (value == expectedValue) {
value = newValue; }
- CAS 可以看作是它们合并后的整体一个不可分割的原子操作，并且其原子性是直接在硬件层面得到保障的。
- CAS可以看做是乐观锁的一种实现方式，Java原子类中的递增操作就通过CAS自旋实现的。
- CAS是一种无锁算法，在不使用锁（没有线程被阻塞）的情况下实现多线程之间的变量同步。
CAS的应用：Unsafe类
public native boolean compareAndSwapInt(Object obj, long offset, int expect, int update);
public native boolean compareAndSwapLong(Object obj, long offset, long expect, long update);
public native boolean compareAndSwapObject(Object obj, long offset, Object expect, Object update);
- 一般有4个参数：对象实例、内存偏移量、字段期望值、字段新值。
基于CAS的原子类
- 基本类型：AtomicInteger、AtomicLong、AtomicBoolean；
- 引用类型：AtomicReference、AtomicStampedRerence、AtomicMarkableReference；
- 数组类型：AtomicIntegerArray、AtomicLongArray、AtomicReferenceArray
- 对象属性原子修改器：AtomicIntegerFieldUpdater、AtomicLongFieldUpdater、AtomicReferenceFieldUpdater
- 原子类型累加器（jdk1.8增加的类）：DoubleAccumulator、DoubleAdder、LongAccumulator、LongAdder、Striped64
CAS源码分析:Hotspot
#unsafe.cpp
UNSAFE_ENTRY(jboolean, Unsafe_CompareAndSwapInt(JNIEnv *env, jobject unsafe, jobject obj, jlong offset, jint e, jint x))
UnsafeWrapper("Unsafe_CompareAndSwapInt");
oop p = JNIHandles::resolve(obj);
// 根据偏移量，计算value的地址
jint* addr = (jint *) index_oop_from_field_offset_long(p, offset);
// Atomic::cmpxchg(x, addr, e) cas逻辑 x:要交换的值 e:要比较的值
//cas成功，返回期望值e，等于e,此方法返回true
//cas失败，返回内存中的value值，不等于e，此方法返回false
return (jint)(Atomic::cmpxchg(x, addr, e)) == e;
- 核心逻辑在Atomic::cmpxchg方法中，这个根据不同操作系统和不同CPU会有不同的实现。这里我们以linux_64x的为例，查看Atomic::cmpxchg的实现
#atomic_linux_x86.inline.hpp
inline jint Atomic::cmpxchg (jint exchange_value, volatile jint* dest, jint compare_value) {
//判断当前执行环境是否为多处理器环境
int mp = os::is_MP();
//LOCK_IF_MP(%4) 在多处理器环境下，为 cmpxchgl 指令添加 lock 前缀，以达到内存屏障的效果
//cmpxchgl 指令是包含在 x86 架构及 IA-64 架构中的一个原子条件指令，
//它会首先比较 dest 指针指向的内存值是否和 compare_value 的值相等，
//如果相等，则双向交换 dest 与 exchange_value，否则就单方面地将 dest 指向的内存值交给exchange_value。
//这条指令完成了整个 CAS 操作，因此它也被称为 CAS 指令。
__asm__ volatile (LOCK_IF_MP(%4) "cmpxchgl %1,(%3)"
: "=a" (exchange_value)
: "r" (exchange_value), "a" (compare_value), "r" (dest), "r" (mp)
: "cc", "memory");
return exchange_value;
cmpxchgl的详细执行过程：
- 首先，输入是"r" (exchange_value), “a” (compare_value), “r” (dest), “r” (mp)，表示compare_value存入eax寄存器，而exchange_value、dest、mp的值存入任意的通用寄存器。嵌入式汇编规定把输出和输入寄存器按统一顺序编号，顺序是从输出寄存器序列从左到右从上到下以“%0”开始，分别记为%0、%1···%9。也就是说，输出的eax是%0，输入的exchange_value、compare_value、dest、mp分别是%1、%2、%3、%4。
- 因此，cmpxchg %1,(%3)实际上表示cmpxchg exchange_value,(dest)
需要注意的是cmpxchg有个隐含操作数eax，其实际过程是先比较eax的值(也就是compare_value)和dest地址所存的值是否相等。
- 输出是"=a" (exchange_value)，表示把eax中存的值写入exchange_value变量中。
- Atomic::cmpxchg这个函数最终返回值是exchange_value，也就是说，如果cmpxchgl执行时compare_value和dest指针指向内存值相等则会使得dest指针指向内存值变成exchange_value，最终eax存的compare_value赋值给了exchange_value变量，即函数最终返回的值是原先的compare_value。
- 此时Unsafe_CompareAndSwapInt的返回值(jint)(Atomic::cmpxchg(x, addr, e)) == e就是true，表明CAS成功。如果cmpxchgl执行时compare_value和(dest)不等则会把当前dest指针指向内存的值写入eax，最终输出时赋值给exchange_value变量作为返回值，导致(jint)(Atomic::cmpxchg(x, addr, e)) == e得到false，表明CAS失败。
源码的核心点
- 不管是 Hotspot 中的 Atomic::cmpxchg 方法，还是 Java 中的 compareAndSwapInt 方法，它们本质上都是对相应平台的 CAS 指令的一层简单封装。
- CAS 指令作为一种硬件原语，有着天然的原子性，这也正是 CAS 的价值所在。
CAS有什么缺陷？
- CAS自旋长时间地不成功，则会给 CPU 带来非常大的开销
- 只能保证一个共享变量原子操作
- ABA 问题
ABA问题
- 简单理解计算A线程的一个变量被B线程改了好几次，但是在A线程下次读取的时候B线程将这个值改为最开始的值。
- ABA问题的解决方案：乐观锁、AtomicStampedReference
结束语
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