Compare And Swap的底層原理

今天就跟大家聊聊有關Compare And Swap的底層原理，可能很多人都不太了解，為了讓大家更加了解，小編給大家總結了以下內容，希望大家根據這篇文章可以有所收獲。

概念

CAS的全稱是Compare-And-Swap，它是cpu并發原語

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

CAS并發原語體現在java語言中就是sun.misc.Unsafe類的各個方法。調用UnSafe類中的CAS方法，JVM會幫我們實現出CAS匯編指令，這是一種完全依賴于硬件的功能，通過它實現了原子操作，再次強調，由于CAS是一種系統原語，原語屬于操作系統用于范疇，是由若干條指令組成，用于完成某個功能的一個過程，并且原語的執行必須是連續的，在執行過程中不允許被中斷，也就是說CAS是一條CPU的原子指令，不會造成所謂的數據不一致的問題，也就是說CAS是線程安全的。

代碼使用

首先使用AtomicInteger創建了一個實例，并初始化為5

// 創建一個原子類

AtomicInteger atomicInteger= new AtomicInteger(5)

然后調用CAS方法，企圖更新成2019，這里有兩個參數，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());
  }
}

上面代碼的執行結果為：

這是因為我們執行第一個的時候，期望值和原本值是滿足的，因此修改成功，但是第二次后，主內存的值已經改成了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，需要通過本地（Native）方法來訪問，Unsafe相當于一個后門，基于該類可以直接操作特定的內存數據，Unsafe類存在sun.misc包中，其內部方法操作可以像C指針一樣直接操作內存，因為Java中的CAS操作的執行依賴于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用操作系統底層資源執行相應的任務

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

表示該變量值在內存中的偏移地址，因為Unsafe就是根據內存偏移地址獲取數據的

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

變量value用volatile修飾

保證了多線程之間的內存可見性

var5：就是我們從主內存中拷貝到工作內存中的值

那么操作的時候，需要比較工作內存中的值，和主內存中的值進行比較

假設執行 compareAndSwapInt返回false，那么就一直執行 while方法，直到期望的值和真實值一樣

• val1：AtomicInteger對象本身
• var2：該對象值得引用地址
• var4：需要變動的數量
• var5：用var1和var2找到的內存中的真實值
  • 用該對象當前的值與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，這樣提高了并發性，也能夠實現一致性，是因為每個線程進來后，進入的do while循環，然后不斷的獲取內存中的值，判斷是否為最新，然后在進行更新操作。

假設線程A和線程B同時執行getAndInt操作（分別跑在不同的CPU上）

• tomicInteger里面的value原始值為3，即主內存中AtomicInteger的 value 為3，根據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執行權）
• 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，并執行了compareAndSwapInt方法，比較內存的值也是3，成功修改內存值為4，線程B打完收工，一切OK
• 這是線程A恢復，執行CAS方法，比較發現自己手里的數字3和主內存中的數字4不一致，說明該值已經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，也就是在執行do while
• 線程A重新獲取value值，因為變量value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繼續執行compareAndSwapInt進行比較替換，直到成功。

Unsafe類 + CAS思想： 也就是自旋，自我旋轉底層匯編

Unsafe類中的compareAndSwapInt是一個本地方法，該方法的實現位于unsafe.cpp中

• 先想辦法拿到變量value在內存中的地址
• 通過Atomic::cmpxchg實現比較替換，其中參數X是即將更新的值，參數e是原內存的值

CAS不加鎖，保證一次性，但是需要多次比較

• 循環時間長，開銷大（因為執行的是do while，如果比較不成功一直在循環，最差的情況，就是某個線程一直取到的值和預期值都不一樣，這樣就會無限循環）
• 只能保證一個共享變量的原子操作
  • 當對一個共享變量執行操作時，我們可以通過循環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CAS

CAS是compareAndSwap，比較當前工作內存中的值和主物理內存中的值，如果相同則執行規定操作，否者繼續比較直到主內存和工作內存的值一致為止

CAS應用

CAS有3個操作數，內存值V，舊的預期值A，要修改的更新值B。當且僅當預期值A和內存值V相同時，將內存值V修改為B，否者什么都不做

看完上述內容，你們對Compare And Swap的底層原理有進一步的了解嗎？如果還想了解更多知識或者相關內容，請關注億速云行業資訊頻道，感謝大家的支持。