概念

CAS的全稱是Compare-And-Swap，它是cpu并發(fā)原語

它的功能是判斷內(nèi)存某個位置的值是否為預(yù)期值。如果是則更改為新的值，這個過程是原子的

CAS并發(fā)原語體現(xiàn)在java語言中就是sun.misc.Unsafe類的各個方法。調(diào)用UnSafe類中的CAS方法，JVM會幫我們實(shí)現(xiàn)出CAS匯編指令，這是一種完全依賴于硬件的功能，通過它實(shí)現(xiàn)了原子操作，再次強(qiáng)調(diào)，由于CAS是一種系統(tǒng)原語，原語屬于操作系統(tǒng)用于范疇，是由若干條指令組成，用于完成某個功能的一個過程，并且原語的執(zhí)行必須是連續(xù)的，在執(zhí)行過程中不允許被中斷，也就是說CAS是一條CPU的原子指令，不會造成所謂的數(shù)據(jù)不一致的問題，也就是說CAS是線程安全的。

代碼使用

首先使用AtomicInteger創(chuàng)建了一個實(shí)例，并初始化為5

// 創(chuàng)建一個原子類

AtomicInteger atomicInteger= new AtomicInteger(5)

然后調(diào)用CAS方法，企圖更新成2019，這里有兩個參數(shù)，一個是5，表示期望值，第二個就是我們要更新的值

atomicInteger.compareAndSet(5,2019)

然后再次使用了一個方法，同樣將值改為1024

atomicInteger.compareAndSet(5,1024)

完整代碼如下：

public class CASDemo {
  public static void main(String[] args) {
    // 創(chuàng)建一個原子類
    AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(5);

    /**
     * 一個是期望值，一個是更新值，但期望值和原來的值相同時，才能夠更改
     * 假設(shè)三秒前，我拿的是5，也就是expect為5，然后我需要更新成 2019
     */
    System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(5, 2019) + "\t current data: " + atomicInteger.get());

    System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(5, 1024) + "\t current data: " + atomicInteger.get());
  }
}

上面代碼的執(zhí)行結(jié)果為：

這是因?yàn)槲覀儓?zhí)行第一個的時候，期望值和原本值是滿足的，因此修改成功，但是第二次后，主內(nèi)存的值已經(jīng)改成了2019，不滿足期望值，因此返回了false，本次寫入失敗

這個就類似于SVN或者Git的版本號，如果沒有人更改過，就能夠正常提交，否者需要先將代碼pull下來，合并代碼后，然后提交

CAS底層原理

首先我們先看看atomicInteger.getAndIncrement()方法的源碼

從這里能夠看到，底層又調(diào)用了一個unsafe類的getAndAddInt方法

unsafe類

Unsafe是CAS的核心類，由于Java方法無法直接訪問底層系統(tǒng)，需要通過本地（Native）方法來訪問，Unsafe相當(dāng)于一個后門，基于該類可以直接操作特定的內(nèi)存數(shù)據(jù)，Unsafe類存在sun.misc包中，其內(nèi)部方法操作可以像C指針一樣直接操作內(nèi)存，因?yàn)镴ava中的CAS操作的執(zhí)行依賴于Unsafe類的方法。

注意Unsafe類的所有方法都是native修飾的，也就是說unsafe類中的方法都直接調(diào)用操作系統(tǒng)底層資源執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)

為什么Atomic修飾的包裝類，能夠保證原子性，依靠的就是底層的unsafe類

變量valueOffset

表示該變量值在內(nèi)存中的偏移地址，因?yàn)閁nsafe就是根據(jù)內(nèi)存偏移地址獲取數(shù)據(jù)的

從這里我們可以看到，通過valueOffset，直接通過內(nèi)存地址，獲取到值，然后進(jìn)行加1操作

變量value用volatile修飾

保證了多線程之間的內(nèi)存可見性

var5：就是我們從主內(nèi)存中拷貝到工作內(nèi)存中的值

那么操作的時候，需要比較工作內(nèi)存中的值，和主內(nèi)存中的值進(jìn)行比較

假設(shè)執(zhí)行 compareAndSwapInt返回false，那么就一直執(zhí)行 while方法，直到期望的值和真實(shí)值一樣

• val1：AtomicInteger對象本身
• var2：該對象值得引用地址
• var4：需要變動的數(shù)量
• var5：用var1和var2找到的內(nèi)存中的真實(shí)值
  • 用該對象當(dāng)前的值與var5比較
  • 如果相同，更新var5 + var4 并返回true
  • 如果不同，繼續(xù)取值然后再比較，直到更新完成

這里沒有用synchronized，而用CAS，這樣提高了并發(fā)性，也能夠?qū)崿F(xiàn)一致性，是因?yàn)槊總€線程進(jìn)來后，進(jìn)入的do while循環(huán)，然后不斷的獲取內(nèi)存中的值，判斷是否為最新，然后在進(jìn)行更新操作。

假設(shè)線程A和線程B同時執(zhí)行g(shù)etAndInt操作（分別跑在不同的CPU上）

• tomicInteger里面的value原始值為3，即主內(nèi)存中AtomicInteger的 value 為3，根據(jù)JMM模型，線程A和線程B各自持有一份價值為3的副本，分別存儲在各自的工作內(nèi)存
• 線程A通過getIntVolatile(var1 , var2) 拿到value值3，這是線程A被掛起（該線程失去CPU執(zhí)行權(quán)）
• 線程B也通過getIntVolatile(var1, var2)方法獲取到value值也是3，此時剛好線程B沒有被掛起，并執(zhí)行了compareAndSwapInt方法，比較內(nèi)存的值也是3，成功修改內(nèi)存值為4，線程B打完收工，一切OK
• 這是線程A恢復(fù)，執(zhí)行CAS方法，比較發(fā)現(xiàn)自己手里的數(shù)字3和主內(nèi)存中的數(shù)字4不一致，說明該值已經(jīng)被其它線程搶先一步修改過了，那么A線程本次修改失敗，只能夠重新讀取后在來一遍了，也就是在執(zhí)行do while
• 線程A重新獲取value值，因?yàn)樽兞縱alue被volatile修飾，所以其它線程對它的修改，線程A總能夠看到，線程A繼續(xù)執(zhí)行compareAndSwapInt進(jìn)行比較替換，直到成功。

Unsafe類 + CAS思想： 也就是自旋，自我旋轉(zhuǎn)底層匯編

Unsafe類中的compareAndSwapInt是一個本地方法，該方法的實(shí)現(xiàn)位于unsafe.cpp中

• 先想辦法拿到變量value在內(nèi)存中的地址
• 通過Atomic::cmpxchg實(shí)現(xiàn)比較替換，其中參數(shù)X是即將更新的值，參數(shù)e是原內(nèi)存的值

CAS不加鎖，保證一次性，但是需要多次比較

• 循環(huán)時間長，開銷大（因?yàn)閳?zhí)行的是do while，如果比較不成功一直在循環(huán)，最差的情況，就是某個線程一直取到的值和預(yù)期值都不一樣，這樣就會無限循環(huán)）
• 只能保證一個共享變量的原子操作
  • 當(dāng)對一個共享變量執(zhí)行操作時，我們可以通過循環(huán)CAS的方式來保證原子操作
  • 但是對于多個共享變量操作時，循環(huán)CAS就無法保證操作的原子性，這個時候只能用鎖來保證原子性
• 引出來ABA問題？

總結(jié)CAS

CAS是compareAndSwap，比較當(dāng)前工作內(nèi)存中的值和主物理內(nèi)存中的值，如果相同則執(zhí)行規(guī)定操作，否者繼續(xù)比較直到主內(nèi)存和工作內(nèi)存的值一致為止

CAS應(yīng)用

CAS有3個操作數(shù)，內(nèi)存值V，舊的預(yù)期值A(chǔ)，要修改的更新值B。當(dāng)且僅當(dāng)預(yù)期值A(chǔ)和內(nèi)存值V相同時，將內(nèi)存值V修改為B，否者什么都不做

以上就是本文的全部內(nèi)容，希望對大家的學(xué)習(xí)有所幫助，也希望大家多多支持腳本之家。

最新評論