CAS简介

Leefs 2020-02-22 PM 2475℃ 0条

# CAS简介

### 一、CAS概念

CAS的全称为Compare And Swap即比较并交换,它是一条CPU并发原语。

它的功能是判断内存某个位置的值是否为预期值，如果是则更改为新的值。看起来这是两步操作，但是由于底层硬件的支持，使两步操作能一步完成，从而保证了原子性，避免了独占锁的资源浪费。

CAS并发原语体现在Java语言中就是sun.misc.Unsafe类中的各个方法。调用UnSafe类中的CAS方法，JVM会帮我们实现出CAS汇编指令。这是一种完全依赖于硬件的功能，通过它实现了原子操作。再次强调，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。

**CAS操作包含三个操作数--内存位置（V）、预期原值（A）和新值（B）。**如果内存位置的值与预期原值相匹配，那么处理器会自动将该位置值更新为新值。否则，处理器不做任何操作。

**代码示例**

```java
public class CASDemo {
    public static void main(String[] args) {
        AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(5);

System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(5,2019)+"\t current data:"+atomicInteger.get());
        System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(5,2020)+"\t current data:"+atomicInteger.get());
    }

}
```

**运行结果**

```java
true	 current data:2019
false	 current data:2019
```

**分析**

> compareAndSet(v1,v2)
>
> v1:预期值
>
> v2:修改后的值

首先创建AtomicInteger对象，并为其附初始值5，当第一次调用AtomicInteger对象的compareAndSet方法时因为AtomicInteger初始值为5与预期值相同，所以返回true，将之前的初始值5改成2019。第二次调用AtomicInteger对象的compareAndSet方法因为预期值5与初始值2019不相同，所以返回false,对之前的初始值不做任何操作。

### 二、CAS底层实现

CAS主要是通过Unsafe类来操作底层硬件来实现原子性。

```java
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;
    //value是volatile修饰的，保证了线程之间的可见性
```

**UnSafe类**是CAS的核心类，由于Java方法无法直接访问底层，需要通过本地（native）方法来访问，基于该类可以直接操作特定的内存数据。

UnSafe类在于sun.misc包中，其内部方法操作可以向C指针一样直接操作内存，因为Java中CAS操作依赖于UNSafe类的方法。注意UnSafe类中所有的方法都是native修饰的，也就是说UnSafe类中的方法都是直接调用操作底层资源执行响应的任务

> + 变量ValueOffset:它是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
> + 变量value:被volatile修饰，保证了多线程之间的可见性。

**Unsafe类中的getAndAddInt源码解读**

```java
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;
}
```

> + var1:AtomicInteger对象本身
> + var2:该对象值的引用地址
> + var4:需要变动的数值
> + var5:是用var1、var2找出内存中的值

用该对象当前的值与var5比较

如果相同，更新var5的值并且返货true

如果不同，继续取值然后比较，直到更新完成

**执行过程分析**

假设线程A和线程B两个线程同时执行getAndAddInt操作(分别在不同的CPU上):

1. 1.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.
2. 2.线程A通过getIntVolatile(var1,var2) 拿到value值3,这时线程A被挂起.
3. 3.线程B也通过getIntVolatile(var1,var2) 拿到value值3,此时刚好线程B没有被挂起并执行compareAndSwapInt方法比较内存中的值也是3 成功修改内存的值为4 线程B执行完成
4. 4.这时线程A恢复,执行compareAndSwapInt方法比较,发现自己手里的数值和内存中的数字4不一致,说明该值已经被其他线程抢先一步修改了,那A线程修改失败,只能重新来一遍了
5. 5.程A重新获取value值,因为变量value是volatile修饰,所以其他线程对他的修改,线程A总是能够看到,线程A继续执行compareAndSwapInt方法进行比较替换,直到成功.

### 三、CAS缺点

1. 1.循环时间开销容易太大

因为CAS方法内部有do-while循环

```
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;
}
```

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。

2. 2.只能保证一个变量的原子性

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。

### 总结

CAS（Compare-And-Swap）:比较当前工作内存中的值和主内存中的值，如果相同则执行规定操作，否则继续比较指导主内存和工作内存中的值一致为止。

CAS应用

CAS有三个操作数，内存值V，旧的预期值A,要修改的更新值B。

当且仅当预期值A和内存值V相同，将内存值V修改为B,否则什么都不做。

标签: Java, 并发编程

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