【CAS】CAS原理「建议收藏」

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1 CAS原理

CAS是所有原子类的底层原理，乐观锁主要采用CAS算法。

CAS，比较并交换，是JDK提供的非阻塞原子性操作，通过硬件保证比较-更新操作的原子性。 通常结合volatile保证共享变量的原子性。

思想：获取当前变量最新值A（预期值），然后进行CAS操作。此时如果内存中变量的值V（内存值V）等于预期值A，说明没有被其他线程修改过，我就把变量值改成B（更新值）；如果不是A，便不再修改。

CAS操作利用CPU的特殊指令，由CPU保证原子性，完成一系列操作，不存在安全性问题。

CAS的变量需要用volatile修饰,以便在各线程之间保证可见。

CAS算法思想的使用场景

• 乐观锁
• 并发容器，例如ConcurrentHashMap
• 原子类

2 AtomicLong中CAS使用分析

// 获取Unsafe实例
private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
// 获取变量value在内存中的偏移量
private static final long valueOffset;
static { 
   
    try { 
   
        valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
            (AtomicLong.class.getDeclaredField("value"));
    } catch (Exception ex) { 
    throw new Error(ex); }
}

类加载过程中首先会加载Unsafe实例和valueOffset偏移量。valueOffset 表示变量在内存中的偏移地址，Unsafe根据内存偏移地址获取数据的预期值，然后进行CAS操作。为保证获取到值是最新值，因此变量通常用volatile修饰。

public final long getAndIncrement() { 
   
    return unsafe.getAndAddLong(this, valueOffset, 1L);
}
// Unsafe类
public final long getAndAddLong(Object var1, long var2, long var4) { 
   
    long var6;
    do { 
   
        // 通过对象地址和偏移量获取变量的最新值
        var6 = this.getLongVolatile(var1, var2);
        // 满足条件进行CAS操作
    } while(!this.compareAndSwapLong(var1, var2, var6, var6 + var4));

    return var6;
}

CAS方法底层c++源码实现

UNSAFE_ENTRY(jboolean, Unsafe_CompareAndSwapLong(JNIEnv *env, jobject unsafe, jobject obj, jlong offset, jlong e, jlong x))
  UnsafeWrapper("Unsafe_CompareAndSwapLong");
  Handle p (THREAD, JNIHandles::resolve(obj));
  // 内存地址
  jlong* addr = (jlong*)(index_oop_from_field_offset_long(p(), offset));
  if (VM_Version::supports_cx8())
    // Atomic::cmpxchg原子性比较和替换
    return (jlong)(Atomic::cmpxchg(x, addr, e)) == e;
  else {
    jboolean success = false;
    ObjectLocker ol(p, THREAD);
    if (*addr == e) { *addr = x; success = true; }
    return success;
  }
UNSAFE_END

3 CAS的缺点

3.1 ABA问题

CAS是比较值，如果值相等则变换。此处可能存在这样的情况，线程1获取变量值为5，线程2将值改为10，线程3再将值改回5。对于线程1，变量的值没有变，但对于计数等后续操作是不正确的。

分析：ABA问题的产生是因为变量的状态值产生了环形变换。如果变量的值只能朝一个方向转化，便不会构成环形，不存在ABA问题。

解决方法：可以参考数据库乐观锁的处理，加版本号，变量更新时版本号会改变。通过比较版本号代替比较变量值。与集合的Fast-Fail机制类似，检查modCount值是否一致。

3.2 自旋时间长带来性能消耗

以AtomicLong为例，高并发场景下，如果线程一直无法进行CAS操作，内部是dowhile死循环，会一直自旋，消耗CPU。

自旋的理解

自旋是重试策略，既可以是乐观锁的重试策略，也可以使悲观锁的重试策略。例如AtimicLong很多方法都调用了getAndAddLong方法，内部便是利用了自旋+CAS操作。至于悲观锁，ReentrantLock的超时获取锁方法tryLock，便利用了for循环。

4 Unsafe

Unsafe是CAS核心类。Java无法直接访问底层操作系统，而是通过本地方法访问。JDK中Unsafe类，底层调用本地方法，提供硬件级别原子操作。

Unsafe类属于rt.jar包，使用bootstrap类加载器加载，而普通main函数类是使用AppClassLoader加载。Unsafe直接操作内存，因此叫不安全类，不能随意调用。

可以通过反射获取Unsafe实例。

Field field = Unsafe.class.getDeclareField("theUnsafe");
field.setAccessible(true);

本文案例代码位置：https://gitee.com/dtyytop/advanced-java