一篇搞定CAS，深度讲解，面试实践必备

Posted 2022-07-29 程序新视界

背景

在高并发的业务场景下，线程安全问题是必须考虑的，在JDK5之前，可以通过synchronized或Lock来保证同步，从而达到线程安全的目的。但synchronized或Lock方案属于互斥锁的方案，比较重量级，加锁、释放锁都会引起性能损耗问题。

而在某些场景下，我们是可以通过JUC提供的CAS机制实现无锁的解决方案，或者说是它基于类似于乐观锁的方案，来达到非阻塞同步的方式保证线程安全。

CAS机制不仅是面试中会高频出现的面试题，而且也是高并发实践中必须掌握的知识点。如果你目前对CAS还不甚了解，或许只有模糊的印象，这篇文章一定值得你花时间学习一下。

什么是CAS？

CAS是Compare And Swap的缩写，直译就是比较并交换。CAS是现代CPU广泛支持的一种对内存中的共享数据进行操作的一种特殊指令，这个指令会对内存中的共享数据做原子的读写操作。其作用是让CPU比较内存中某个值是否和预期的值相同，如果相同则将这个值更新为新值，不相同则不做更新。

本质上来讲CAS是一种无锁的解决方案，也是一种基于乐观锁的操作，可以保证在多线程并发中保障共享资源的原子性操作，相对于synchronized或Lock来说，是一种轻量级的实现方案。

Java中大量使用了CAS机制来实现多线程下数据更新的原子化操作，比如AtomicInteger、CurrentHashMap当中都有CAS的应用。但Java中并没有直接实现CAS，CAS相关的实现是借助C/C++调用CPU指令来实现的，效率很高，但Java代码需通过JNI才能调用。比如，Unsafe类提供的CAS方法（如compareAndSwapXXX）底层实现即为CPU指令cmpxchg。

CAS的基本流程

下面我们用一张图来了解一下CAS操作的基本流程。

在上图中涉及到三个值的比较和操作：修改之前获取的（待修改）值A，业务逻辑计算的新值B，以及待修改值对应的内存位置的C。

整个处理流程中，假设内存中存在一个变量i，它在内存中对应的值是A（第一次读取），此时经过业务处理之后，要把它更新成B，那么在更新之前会再读取一下i现在的值C，如果在业务处理的过程中i的值并没有发生变化，也就是A和C相同，才会把i更新（交换）为新值B。如果A和C不相同，那说明在业务计算时，i的值发生了变化，则不更新（交换）成B。最后，CPU会将旧的数值返回。而上述的一系列操作由CPU指令来保证是原子的。

在《Java并发编程实践》中对CAS进行了更加通俗的描述：我认为原有的值应该是什么，如果是，则将原有的值更新为新值，否则不做修改，并告诉我原来的值是多少。

在上述路程中，我们可以很清晰的看到乐观锁的思路，而且这期间并没有使用到锁。因此，相对于synchronized等悲观锁的实现，效率要高非常多。

基于CAS的AtomicInteger使用

关于CAS的实现，最经典最常用的当属AtomicInteger了，我们马上就来看一下AtomicInteger是如何利用CAS实现原子性操作的。为了形成更新鲜明的对比，先来看一下如果不使用CAS机制，想实现线程安全我们通常如何处理。

在没有使用CAS机制时，为了保证线程安全，基于synchronized的实现如下：

public class ThreadSafeTest 

	public static volatile int i = 0;

	public synchronized void increase() 
		i++;
	

至于上面的实例具体实现，这里不再展开，很多相关的文章专门进行讲解，我们只需要知道为了保证i++的原子操作，在increase方法上使用了重量级的锁synchronized，这会导致该方法的性能低下，所有调用该方法的操作都需要同步等待处理。

那么，如果采用基于CAS实现的AtomicInteger类，上述方法的实现便变得简单且轻量级了：

public class ThreadSafeTest 

	private final AtomicInteger counter = new AtomicInteger(0);

	public int increase()
		return counter.addAndGet(1);
	

之所以可以如此安全、便捷的来实现安全操作，便是由于AtomicInteger类采用了CAS机制。下面，我们就来了解一下AtomicInteger的功能及源码实现。

CAS的AtomicInteger类

AtomicInteger是java.util.concurrent.atomic 包下的一个原子类，该包下还有AtomicBoolean, AtomicLong,AtomicLongArray, AtomicReference等原子类，主要用于在高并发环境下，保证线程安全。

AtomicInteger常用API

AtomicInteger类提供了如下常见的API功能：

public final int get()：获取当前的值
public final int getAndSet(int newValue)：获取当前的值，并设置新的值
public final int getAndIncrement()：获取当前的值，并自增
public final int getAndDecrement()：获取当前的值，并自减
public final int getAndAdd(int delta)：获取当前的值，并加上预期的值
void lazySet(int newValue): 最终会设置成newValue,使用lazySet设置值后，可能导致其他线程在之后的一小段时间内还是可以读到旧的值。

上述方法中，getAndXXX格式的方法都实现了原子操作。具体的使用方法参考上面的addAndGet案例即可。

AtomicInteger核心源码

下面看一下AtomicInteger代码中的核心实现代码：

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable 
    private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
    private static final long valueOffset;
    static 
        try 
            // 用于获取value字段相对当前对象的“起始地址”的偏移量
            valueOffset = unsafe.objectFieldOffset(AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
         catch (Exception ex)  throw new Error(ex); 
    

    private volatile int value;

    //返回当前值
    public final int get() 
        return value;
    

    //递增加detla
    public final int getAndAdd(int delta) 
        // 1、this：当前的实例 
        // 2、valueOffset：value实例变量的偏移量 
        // 3、delta：当前value要加上的数(value+delta)。
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta);
    

    //递增加1
    public final int incrementAndGet() 
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
    
...

上述代码以AtomicInteger#incrementAndGet方法为例展示了AtomicInteger的基本实现。其中，在static静态代码块中，基于Unsafe类获取value字段相对当前对象的“起始地址”的偏移量，用于后续Unsafe类的处理。

在处理自增的原子操作时，使用的是Unsafe类中的getAndAddInt方法，CAS的实现便是由Unsafe类的该方法提供，从而保证自增操作的原子性。

同时，在AtomicInteger类中，可以看到value值通过volatile进行修饰，保证了该属性值的线程可见性。在多并发的情况下，一个线程的修改，可以保证到其他线程立马看到修改后的值。

通过源码可以看出， AtomicInteger 底层是通过volatile变量和CAS两者相结合来保证更新数据的原子性。其中关于Unsafe类对CAS的实现，我们下面详细介绍。

CAS的工作原理

CAS的实现原理简单来说就是由Unsafe类和其中的自旋锁来完成的，下面针对源代码来看一下这两块的内容。

UnSafe类

在AtomicInteger核心源码中，已经看到CAS的实现是通过Unsafe类来完成的，先来了解一下Unsafe类的作用。关于Unsafe类在之前的文章《各大框架都在使用的Unsafe类，到底有多神奇？》也有详细的介绍，大家可以参考，这里我们再简单概述一下。

sun.misc.Unsafe是JDK内部用的工具类。它通过暴露一些Java意义上说“不安全”的功能给Java层代码，来让JDK能够更多的使用Java代码来实现一些原本是平台相关的、需要使用native语言（例如C或C++）才可以实现的功能。该类不应该在JDK核心类库之外使用，这也是命名为Unsafe（不安全）的原因。

JVM的实现可以自由选择如何实现Java对象的“布局”，也就是在内存里Java对象的各个部分放在哪里，包括对象的实例字段和一些元数据之类。

Unsafe里关于对象字段访问的方法把对象布局抽象出来，它提供了objectFieldOffset()方法用于获取某个字段相对Java对象的“起始地址”的偏移量，也提供了getInt、getLong、getObject之类的方法可以使用前面获取的偏移量来访问某个Java对象的某个字段。在AtomicInteger的static代码块中便使用了objectFieldOffset()方法。

Unsafe类的功能主要分为内存操作、CAS、Class相关、对象操作、数组相关、内存屏障、系统相关、线程调度等功能。这里我们只需要知道其功能即可，方便理解CAS的实现，注意不建议在日常开发中使用。

Unsafe与CAS

AtomicInteger调用了Unsafe#getAndAddInt方法：

    public final int incrementAndGet() 
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
    

上述代码等于是AtomicInteger调用UnSafe类的CAS方法，JVM帮我们实现出汇编指令，从而实现原子操作。

在Unsafe中getAndAddInt方法实现如下：

	public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) 
        int var5;
        do 
            var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
         while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));
        return var5;
    

getAndAddInt方法有三个参数：

• 第一个参数表示当前对象，也就是new的那个AtomicInteger对象；
• 第二个表示内存地址；
• 第三个表示自增步伐，在AtomicInteger#incrementAndGet中默认的自增步伐是1。

getAndAddInt方法中，首先把当前对象主内存中的值赋给val5，然后进入while循环。判断当前对象此刻主内存中的值是否等于val5，如果是，就自增（交换值），否则继续循环，重新获取val5的值。

在上述逻辑中核心方法是compareAndSwapInt方法，它是一个native方法，这个方法汇编之后是CPU原语指令，原语指令是连续执行不会被打断的，所以可以保证原子性。

在getAndAddInt方法中还涉及到一个实现自旋锁。所谓的自旋，其实就是上面getAndAddInt方法中的do while循环操作。当预期值和主内存中的值不等时，就重新获取主内存中的值，这就是自旋。

这里我们可以看到CAS实现的一个缺点：内部使用自旋的方式进行CAS更新（while循环进行CAS更新，如果更新失败，则循环再次重试）。如果长时间都不成功的话，就会造成CPU极大的开销。

另外，Unsafe类还支持了其他的CAS方法，比如compareAndSwapObject、 compareAndSwapInt、compareAndSwapLong。更多关于Unsafe类的功能就不再展开，大家可以去看《各大框架都在使用的Unsafe类，到底有多神奇？》这篇文章。

CAS的缺点

CAS高效的实现了原子性操作，但在以下三方面还存在着一些缺点：

• 循环时间长，开销大；
• 只能保证一个共享变量的原子操作；
• ABA问题；

下面就这个三个问题详细讨论一下。

循环时间长开销大

在分析Unsafe源代码的时候我们已经提到，在Unsafe的实现中使用了自旋锁的机制。在该环节如果CAS操作失败，就需要循环进行CAS操作(do while循环同时将期望值更新为最新的)，如果长时间都不成功的话，那么会造成CPU极大的开销。如果JVM能支持处理器提供的pause指令那么效率会有一定的提升。

只能保证一个共享变量的原子操作

在最初的实例中，可以看出是针对一个共享变量使用了CAS机制，可以保证原子性操作。但如果存在多个共享变量，或一整个代码块的逻辑需要保证线程安全，CAS就无法保证原子性操作了，此时就需要考虑采用加锁方式（悲观锁）保证原子性，或者有一个取巧的办法，把多个共享变量合并成一个共享变量进行CAS操作。

ABA问题

虽然使用CAS可以实现非阻塞式的原子性操作，但是会产生ABA问题，ABA问题出现的基本流程：

• 进程P1在共享变量中读到值为A；
• P1被抢占了，进程P2执行；
• P2把共享变量里的值从A改成了B，再改回到A，此时被P1抢占；
• P1回来看到共享变量里的值没有被改变，于是继续执行；

虽然P1以为变量值没有改变，继续执行了，但是这个会引发一些潜在的问题。ABA问题最容易发生在lock free的算法中的，CAS首当其冲，因为CAS判断的是指针的地址。如果这个地址被重用了呢，问题就很大了（地址被重用是很经常发生的，一个内存分配后释放了，再分配，很有可能还是原来的地址）。

维基百科上给了一个形象的例子：你拿着一个装满钱的手提箱在飞机场，此时过来了一个火辣性感的美女，然后她很暖昧地挑逗着你，并趁你不注意，把用一个一模一样的手提箱和你那装满钱的箱子调了个包，然后就离开了，你看到你的手提箱还在那，于是就提着手提箱去赶飞机去了。

ABA问题的解决思路就是使用版本号：在变量前面追加上版本号，每次变量更新的时候把版本号加1，那么A->B->A就会变成1A->2B->3A。

另外，从Java 1.5开始，JDK的Atomic包里提供了一个类AtomicStampedReference来解决ABA问题。这个类的compareAndSet方法的作用是首先检查当前引用是否等于预期引用，并且检查当前标志是否等于预期标志，如果全部相等，则以原子方式将该引用和该标志的值设置为给定的更新值。

小结

本文从CAS的基本使用场景、基本流程、实现类AtomicInteger源码解析、CAS的Unsafe实现解析、CAS的缺点及解决方案等方面来全面了解了CAS。通过这篇文章的学习想必你已经更加深刻的理解CAS机制了，如果对你有所帮助，记得关注一下，持续输出干货内容。

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