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1.深入学习CAS底层原理

深入学习CAS底层原理

       什么是CAS

       CAS是Compare-And-Swap的缩写，意思为比较并交换。以AtomicInteger为例，其提供了compareAndSet(intexpect,intupdate)方法，expect为期望值（被修改的值在主内存中的期望值），update为修改后的源码码头靠谱值。compareAndSet方法返回值类型为布尔类型，修改成功则返回true，修改失败返回false。

       举个compareAndSet方法的例子：

publicclassAtomticIntegerTest{ publicstaticvoidmain(String[]args){ AtomicIntegeratomicInteger=newAtomicInteger(0);booleanresult=atomicInteger.compareAndSet(0,1);System.out.println(result);System.out.println(atomicInteger.get());}}

       上面例子中，通过AtomicInteger(intinitialValue)构造方法指定了AtomicInteger类成员变量value的初始值为0：

publicclassAtomicIntegerextendsNumberimplementsjava.io.Serializable{ ......privatevolatileintvalue;/***CreatesanewAtomicIntegerwiththegiveninitialvalue.**@paraminitialValuetheinitialvalue*/publicAtomicInteger(intinitialValue){ value=initialValue;}......}

       接着执行compareAndSet方法，main线程从主内存中拷贝了value的副本到工作线程，值为0，并将这个值修改为1。如果此时主内存中value的值还是为0的话（言外之意就是没有被其他线程修改过），则将修改后的副本值刷回主内存更新value的值。所以上面的例子运行结果应该是true和1：

       将上面的例子修改为：

publicclassAtomticIntegerTest{ publicstaticvoidmain(String[]args){ AtomicIntegeratomicInteger=newAtomicInteger(0);booleanfirstResult=atomicInteger.compareAndSet(0,1);booleansecondResult=atomicInteger.compareAndSet(0,1);System.out.println(firstResult);System.out.println(secondResult);System.out.println(atomicInteger.get());}}

       上面例子中，main线程第二次调用compareAndSet方法的时候，value的物品出租源码值已经被修改为1了，不符合其expect的值，所以修改将失败。上面例子输出如下：

CAS底层原理

       查看compareAndSet方法源码：

/***Atomicallysetsthevalueto{ @codenewValue}*ifthecurrentvalue{ @code==expectedValue},*withmemoryeffectsasspecifiedby{ @linkVarHandle#compareAndSet}.**@paramexpectedValuetheexpectedvalue*@paramnewValuethenewvalue*@return{ @codetrue}ifsuccessful.Falsereturnindicatesthat*theactualvaluewasnotequaltotheexpectedvalue.*/publicfinalbooleancompareAndSet(intexpectedValue,intnewValue){ returnU.compareAndSetInt(this,VALUE,expectedValue,newValue);}

       该方法通过调用unsafe类的compareAndSwapInt方法实现相关功能。compareAndSwapInt方法包含四个参数：

       this，当前对象；

       valueOffset，value成员变量的内存偏移量（也就是内存地址）：

privatestaticfinallongvalueOffset;static{ try{ valueOffset=unsafe.objectFieldOffset(AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));}catch(Exceptionex){ thrownewError(ex);}}

       expect，期待值；

       update，更新值。

       所以这个方法的算法源码云课堂含义为：获取当前对象value成员变量在主内存中的值，和传入的期待值相比，如果相等则说明这个值没有被别的线程修改过，然后将其修改为更新值。

       那么unsafe又是什么？它的compareAndSwapInt方法是原子性的么？查看该方法的源码：

/***AtomicallyupdatesJavavariableto{ @codex}ifitiscurrently*holding{ @codeexpected}.**<p>Thisoperationhasmemorysemanticsofa{ @codevolatile}read*andwrite.CorrespondstoCatomic_compare_exchange_strong.**@return{ @codetrue}ifsuccessful*/@HotSpotIntrinsicCandidatepublicfinalnativebooleancompareAndSetInt(Objecto,longoffset,intexpected,intx);

       该方法并没有具体Java代码实现，方法通过native关键字修饰。由于Java方法无法直接访问底层系统，Unsafe类相当于一个后门，可以通过该类的方法直接操作特定内存的数据。Unsafe类存在于sun.msic包中，pdf文件下载源码JVM会帮我们实现出相应的汇编指令。Unsafe类中的CAS方法是一条CPU并发原语，由若干条指令组成，用于完成某个功能的一个过程。原语的执行必须是连续的，在执行过程中不允许被中断，不会存在数据不一致的问题。

getAndIncrement方法剖析

       了解了CAS原理后，我们回头看下AtomicInteger的财神到组件源码getAndIncrement方法源码：

/***Atomicallyincrementsthecurrentvalue,*withmemoryeffectsasspecifiedby{ @linkVarHandle#getAndAdd}.**<p>Equivalentto{ @codegetAndAdd(1)}.**@returnthepreviousvalue*/publicfinalintgetAndIncrement(){ returnU.getAndAddInt(this,VALUE,1);}

       该方法通过调用unsafe类的getAndAddInt方法实现相关功能。继续查看getAndAddInt方法的源码：

/***Atomicallyaddsthegivenvaluetothecurrentvalueofafield*orarrayelementwithinthegivenobject{ @codeo}*atthegiven{ @codeoffset}.**@paramoobject/arraytoupdatethefield/elementin*@paramoffsetfield/elementoffset*@paramdeltathevaluetoadd*@returnthepreviousvalue*@since1.8*/@HotSpotIntrinsicCandidatepublicfinalintgetAndAddInt(Objecto,longoffset,intdelta){ intv;do{ v=getIntVolatile(o,offset);}while(!weakCompareAndSetInt(o,offset,v,v+delta));returnv;}

       结合源码，我们便可以很直观地看出为什么AtomicInteger的getAndIncrement方法是线程安全的了：

       o是AtomicInteger对象本身；offset是AtomicInteger对象的成员变量value的内存地址；delta是需要变更的数量；v是通过unsafe的getIntVolatile方法获得AtomicInteger对象的成员变量value在主内存中的值。dowhile循环中的逻辑为：用当前对象的值和var5比较，如果相同，说明该值没有被别的线程修改过，更新为v+delta，并返回true（CAS）；否则继续获取值并比较，直到更新完成。

CAS的缺点

       CAS并不是完美的，其存在以下这些缺点：

       如果刚好while里的CAS操作一直不成功，那么对CPU的开销大；

       只能确保一个共享变量的原子操作；

       存在ABA问题。

       CAS实现的一个重要前提是需要取出某一时刻的数据并在当下时刻比较交换，这之间的时间差会导致数据的变化。比如：thread1线程从主内存中取出了变量a的值为A，thread2页从主内存中取出了变量a的值为A。由于线程调度的不确定性，这时候thread1可能被短暂挂起了，thread2进行了一些操作将值修改为了B，然后又进行了一些操作将值修改回了A，这时候当thread1重新获取CPU时间片重新执行CAS操作时，会发现变量a在主内存中的值仍然是A，所以CAS操作成功。

解决ABA问题

       那么如何解决CAS的ABA问题呢？由上面的阐述课件，光通过判断值是否相等并不能确保在一定时间差内值没有变更过，所以我们需要一个额外的指标来辅助判断，类似于时间戳，版本号等。

       JUC为我们提供了一个AtomicStampedReference类，通过查看它的构造方法就可以看出，除了指定初始值外，还需指定一个版本号（戳）：

/***Createsanew{ @codeAtomicStampedReference}withthegiven*initialvalues.**@paraminitialReftheinitialreference*@paraminitialStamptheinitialstamp*/publicAtomicStampedReference(VinitialRef,intinitialStamp){ pair=Pair.of(initialRef,initialStamp);}

       我们就用这个类来解决ABA问题，首先模拟一个ABA问题场景：

publicclassAtomticIntegerTest{ publicstaticvoidmain(String[]args){ AtomicReference<String>atomicReference=newAtomicReference<>("A");newThread(()->{ //模拟一次ABA操作atomicReference.compareAndSet("A","B");atomicReference.compareAndSet("B","A");System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"线程完成了一次ABA操作");},"thread1").start();newThread(()->{ //让thread2先睡眠2秒钟，确保thread1的ABA操作完成try{ TimeUnit.SECONDS.sleep(2);}catch(InterruptedExceptione){ e.printStackTrace();}booleanresult=atomicReference.compareAndSet("A","B");if(result){ System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"线程修改值成功，当前值为："+atomicReference.get());}},"thread2").start();}}

       运行程序，输出如下：

       使用AtomicStampedReference解决ABA问题：

publicclassAtomicIntegerextendsNumberimplementsjava.io.Serializable{ ......privatevolatileintvalue;/***CreatesanewAtomicIntegerwiththegiveninitialvalue.**@paraminitialValuetheinitialvalue*/publicAtomicInteger(intinitialValue){ value=initialValue;}......}0

       程序输出如下：