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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
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