目錄

一、CAS簡介

二、AtomicInteger代碼演示

三、CAS 實現

四、弊端

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一、CAS簡介

在計算機科學中，比較和交換（Conmpare And Swap）是用于實現多線程同步的原子指令。它將內存位置的內容與給定值進行比較，只有在相同的情況下，將該內存位置的內容修改為新的給定值。這是作為單個原子操作完成的。 原子性保證新值基于最新信息計算; 如果該值在同一時間被另一個線程更新，則寫入將失敗。操作結果必須說明是否進行替換; 這可以通過一個簡單的布爾響應（這個變體通常稱為比較和設置），或通過返回從內存位置讀取的值來完成。

CAS是一種無鎖算法，有3個關鍵操作數：?內存中的原數據V，舊的預期值A，需要修改的新值B，當內存值和舊的內存中預期值相等時，將內存中的值更新為新值。

操縱步驟：比較 A 與 V 是否相等。（比較） 如果比較相等，將 B 寫入 V。（交換） 返回操作是否成功。 當多個線程同時對某個資源進行CAS操作，只能有一個線程操作成功，但是并不會阻塞其他線程,其他線程只會收到操作失敗的信號?？梢?CAS 其實是一個樂觀鎖。

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如上圖中，主存中保存V值，線程中要使用V值要先從主存中讀取V值到線程的工作內存A中，然后計算后變成B值，最后再把B值寫回到內存V值中。多個線程共用V值都是如此操作。CAS的核心是在將B值寫入到V之前要比較A值和V值是否相同，如果不相同證明此時V值已經被其他線程改變，重新將V值賦給A，并重新計算得到B，如果相同，則將B值賦給V。

如果不使用CAS機制，看看存在什么問題：假如V=1，現在Thread1要對V進行加1，Thread2也要對V進行加1，首先Thread1讀取V=1到自己工作內存A中此時A=1，假設Thread2此時也讀取V=1到自己的工作內存A中，分別進行加1操作后，兩個線程中B的值都為2，此時寫回到V中時發現V的值為2，但是兩個線程分別對V進行加處理結果卻只加了1有問題。

樂觀鎖與悲觀鎖：CAS屬于樂觀鎖，樂觀鎖就是每次不加鎖而是假設沒有沖突而去完成某項操作，如果因為沖突失敗就重試，直到成功為止。synchronized是悲觀鎖，被一個線程拿到鎖之后，其他線程必須等待該線程釋放鎖，性能較差

二、AtomicInteger代碼演示

在java中，a++不是原子操作，一個簡單的a++操作涉及到三個操作，獲取變量a的內存值，將變量a+1，將新值寫入內存，這里涉及到了兩次內存訪問，如果在多線程環境下，那么會出現并發安全問題。AtomicInteger是一個原子操作類，內部采用的就是CAS無鎖算法。 這里我們分析一下它的內部實現。

AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0); atomicInteger.getAndSet(1);

???? 這里的靜態代碼塊AtomicInteger對象初始化之前就執行，獲取AtomicInteger對象value字段相對AtomicInteger對象的”起始地址”的偏移量，Java對象在內存中存儲的布局可以分為三塊區域：對象頭（Header）、實例數據（Instance Data）和對齊填充（Padding），”起始地址”的偏移量即是對象頭的偏移量。

static {try {valueOffset = unsafe.objectFieldOffset(AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));} catch (Exception ex) { throw new Error(ex); } } public final int getAndSet(int newValue) {return unsafe.getAndSetInt(this, valueOffset, newValue); }

每次通過內存地址(var2)先從內存中獲取內存中原值(var5)，再循環將內存中的原值(var5)與給定內存地址(var2)相比較，如果相等則更新指定預期值(var4)，如果不相等則再重試直到成功為止，最后返回舊的內存原值var5。

//var1為AtomicInteger對象，var2為內存地址值，var4為指定的預期值 public final int getAndSetInt(Object var1, long var2, int var4) {int var5;do {//unsafe.getIntVolatile調用本地方法獲取內存中值var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);} while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var4));return var5; }

三、CAS 實現

?java.util.concurrent.atomic 包下的原子類 AtomicInteger 中的 compareAndSet 方法最終調用的是 sum.misc.Unsafe 這個類。 看名稱 Unsafe 就是一個不安全的類，這個類是利用了 Java 的類和包在可見性的的規則中的一個恰到好處處的漏洞。Unsafe 這個類為了速度，在Java的安全標準上做出了一定的妥協。再往下尋找我們發現 Unsafe的compareAndSwapInt 是 Native 的方法：

public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);

也就是說，這幾個 CAS 的方法應該是使用了本地的方法。所以這幾個方法的具體實現需要我們自己去 jdk 的源碼中搜索。 最終到搜索 cmpxchg 函數

inline jint Atomic::cmpxchg (jint exchange_value, volatile jint* dest, jint compare_value) { // 判斷是否是多核 CPUint mp = os::is_MP();__asm { // 將參數值放入寄存器中mov edx, dest // 注意: dest 是指針類型，這里是把內存地址存入 edx 寄存器中mov ecx, exchange_valuemov eax, compare_value // LOCK_IF_MPcmp mp, 0/** 如果 mp = 0，表明是線程運行在單核 CPU 環境下。此時 je 會跳轉到 L0 標記處，* 也就是越過 _emit 0xF0 指令，直接執行 cmpxchg 指令。也就是不在下面的 cmpxchg 指令* 前加 lock 前綴。*/je L0 /** 0xF0 是 lock 前綴的機器碼，這里沒有使用 lock，而是直接使用了機器碼的形式。至于這樣做的* 原因可以參考知乎的一個回答：* https://www.zhihu.com/question/50878124/answer/123099923*/ _emit 0xF0L0: /** 比較并交換。簡單解釋一下下面這條指令，熟悉匯編的朋友可以略過下面的解釋:* cmpxchg: 即“比較并交換”指令* dword: 全稱是 double word，在 x86/x64 體系中，一個 * word = 2 byte，dword = 4 byte = 32 bit* ptr: 全稱是 pointer，與前面的 dword 連起來使用，表明訪問的內存單元是一個雙字單元* [edx]: [...] 表示一個內存單元，edx 是寄存器，dest 指針值存放在 edx 中。* 那么 [edx] 表示內存地址為 dest 的內存單元* * 這一條指令的意思就是，將 eax 寄存器中的值（compare_value）與 [edx] 雙字內存單元中的值* 進行對比，如果相同，則將 ecx 寄存器中的值（exchange_value）存入 [edx] 內存單元中。*/cmpxchg dword ptr [edx], ecx} }

總結一下 JAVA 的 cas 是怎么實現的：

• java 的 cas 利用的的是 unsafe 這個類提供的 cas 操作。
• unsafe 的cas 依賴了的是 jvm 針對不同的操作系統實現的 Atomic::cmpxchg
• Atomic::cmpxchg 的實現使用了匯編的 cas 操作，并使用 cpu 硬件提供的 lock信號保證其原子性

四、弊端

1. ABA問題

???? CAS在操作的時候會檢查變量的值是否被更改過，如果沒有則更新值，但是帶來一個問題，最開始的值是A，接著變成B，最后又變成了A。經過檢查這個值確實沒有修改過，因為最后的值還是A，但是實際上這個值確實已經被修改過了。為了解決這個問題，在每次進行操作的時候加上一個版本號，每次操作的就是兩個值，一個版本號和某個值，A——>B——>A問題就變成了1A——>2B——>3A。在jdk中提供了AtomicStampedReference類解決ABA問題，用Pair這個內部類實現，包含兩個屬性，分別代表版本號和引用，在compareAndSet中先對當前引用進行檢查，再對版本號標志進行檢查，只有全部相等才更新值。

2. 只能保證一個共享變量的原子操作

???? 多個共享變量操作時，循環CAS就無法保證操作的原子性，這個時候就可以用鎖。從java1.5開始，JDK提供了AtomicReference類來保證引用對象之間的原子性，就可以把多個變量放在一個對象里來進行CAS操作。

3. 循環時間長CPU開銷較大

???? 在并發量比較高的情況下，如果許多線程反復嘗試更新某一個變量，卻又一直更新不成功，循環往復，會給CPU帶來很大的壓力。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的Java并发编程—无锁互斥机制及CAS原理的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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