CAS技术实现之底层原理

Posted 2023-03-29

参考技术A

小伙伴们都知道，i++其实并非是原子性操作，在多线程环境下会有线程安全的问题，下面我们来写个测试demo来验证这条结论。

通过上面的小例子我们可以发现每次计算的结果都有偏差。为什么会存在偏差呢？这是因为JMM将内存分为工作内存+主内存。我们的运算工作是在工作内存中进行，然后再将得到的值同步到主内存中。

通过上图我们可以看到，一开始主内存中i=0，此时线程A把i读到工作内存，并开始进行i++的运算，然后把运算结果i=1同步给主内存。但是因为整个过程并不是原子性的（线程A运算的过程中，线程B也可以进行运算），这时候线程A还没有来得及把计算后的值刷新回主内存，线程B就开始进行了i++的操作，此时线程B拿到的i的值为0，而不是线程A计算后的1，这样线程B经过运算，得到的结果也是1，这样就导致最终结果是1而不是我们期望的2，从而造成线程安全问题。

1.synchronized锁
当我们对i++加了synchronized锁后，就可以保证它具有原子性，从而保证同一时刻只有一个线程能对i进行++操作，进而保证线程安全。

通过synchronized锁后，得到的结果跟预期结果相符。synchronized底层原理不是本篇文章的重点，后面会单出一篇文章来进行剖析。
2.通过J.U.C包下的AtomicInteger

ok,前面铺垫那么多，现在正式引入本文的重点： CAS ,AtomicInteger就是基于CAS技术实现的。

CAS，Compare and Swap即比较并替换。它是乐观锁思想的一种实现方式。

通过图我们可以看出CAS实现原理：CAS有三个操作数：内存值V、旧的预期值A、要修改的值B，当且仅当预期值A和内存值V相同时，将内存值修改为B并返回true，否则什么都不做并返回false。

1.点开getAndIncrement()方法，我们会发现AtomicInteger调用了Unsafe的getAndInt()方法

小知识： JVM是规范，目前市面上主要有四种实现
1）Hotspot：最常用的jvm实现
2）JRocket：JRocket是BEA公司的JVM.使用WebLogic的用户,往往使用JRocket虚拟机.
3）J9：IBM公司的JVM
4）Harmony：IBM和Intel搞的开源JVM. IBM牵头,主力是Intel.

找到 atomic_linux_x86.inline.hpp ，找到cmpxchg方法

CAS是一种乐观锁，采用自旋的方式来等待其他线程完成工作。在竞争比较低且等待时间短的任务场景中表现优异。

1）因为CAS采用自旋方式，而自旋是需要占用CPU资源的。
2）只能保持一个变量的原子操作
3） ABA问题
这里我来给小伙伴解释下什么是ABA问题，还是拿CAS流程图来讲

前面我们也提到了，CAS虽然会占用CPU资源，但是只在用户态就可以完成加锁的过程（不需要涉及到内核态）。那么线程数较少，竞争不激烈，等待时间短的场景就是CAS的最佳适用场景。小伙伴们get到了吗？

cas底层原理

参考技术A CAS 你知道吗？

public class CASDemo

    public static void main(String[] args)

        AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(666);

        // 获取真实值，并替换为相应的值

        boolean b = atomicInteger.compareAndSet(666, 2019);

        System.out.println(b); // true

        boolean b1 = atomicInteger.compareAndSet(666, 2020);

        System.out.println(b1); // false

        atomicInteger.getAndIncrement();

   



CAS 底层原理？谈谈对 UnSafe 的理解？

getAndIncrement();

/**

* Atomically increments by one the current value.

*

* @return the previous value

*/

public final int getAndIncrement()

    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);



引出一个问题：UnSafe 类是什么？

UnSafe 类

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable

    private static final long serialVersionUID = 6214790243416807050L;

    // setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updates

    private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();

    private static final long valueOffset;

    static

        try

            // 获取下面 value 的地址偏移量

            valueOffset = unsafe.objectFieldOffset

                (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));

        catch (Exception ex) throw new Error(ex);

   

    private volatile int value;

// ...



Unsafe 是 CAS 的核心类，由于 Java 方法无法直接访问底层系统，而需要通过本地（native）方法来访问， Unsafe 类相当一个后门，基于该类可以直接操作特定内存的数据。Unsafe 类存在于 sun.misc 包中，其内部方法操作可以像 C 指针一样直接操作内存，因为 Java 中 CAS 操作执行依赖于 Unsafe 类。

变量 vauleOffset，表示该变量值在内存中的偏移量，因为 Unsafe 就是根据内存偏移量来获取数据的。

变量 value 用 volatile 修饰，保证了多线程之间的内存可见性。

CAS 是什么

CAS 的全称 Compare-And-Swap，它是一条 CPU 并发。

它的功能是判断内存某一个位置的值是否为预期，如果是则更改这个值，这个过程就是原子的。

CAS 并发原体现在 JAVA 语言中就是 sun.misc.Unsafe 类中的各个方法。调用 UnSafe 类中的 CAS 方法，JVM 会帮我们实现出 CAS 汇编指令。这是一种完全依赖硬件的功能，通过它实现了原子操作。由于 CAS 是一种系统源语，源语属于操作系统用语范畴，是由若干条指令组成，用于完成某一个功能的过程，并且原语的执行必须是连续的，在执行的过程中不允许被中断，也就是说 CAS 是一条原子指令，不会造成所谓的数据不一致的问题。

分析一下 getAndAddInt 这个方法

// unsafe.getAndAddInt

public final int getAndAddInt(Object obj, long valueOffset, long expected, int val)

    int temp;

    do

        temp = this.getIntVolatile(obj, valueOffset);  // 获取快照值

    while (!this.compareAndSwap(obj, valueOffset, temp, temp + val));  // 如果此时 temp 没有被修改，就能退出循环，否则重新获取

    return temp;



CAS 的缺点？

循环时间长开销很大

如果 CAS 失败，会一直尝试，如果 CAS 长时间一直不成功，可能会给 CPU 带来很大的开销（比如线程数很多，每次比较都是失败，就会一直循环），所以希望是线程数比较小的场景。

只能保证一个共享变量的原子操作

对于多个共享变量操作时，循环 CAS 就无法保证操作的原子性。

引出 ABA 问题

原子类 AtomicInteger 的 ABA 问题谈一谈？原子更新引用知道吗？

原子引用

public class AtomicReferenceDemo

    public static void main(String[] args)

        User cuzz = new User("cuzz", 18);

        User faker = new User("faker", 20);

        AtomicReference<User> atomicReference = new AtomicReference<>();

        atomicReference.set(cuzz);

        System.out.println(atomicReference.compareAndSet(cuzz, faker)); // true

        System.out.println(atomicReference.get()); // User(userName=faker, age=20)

   



ABA 问题是怎么产生的

/**

* @program: learn-demo

* @description: ABA

* @author: cuzz

* @create: 2019-04-21 23:31

**/

public class ABADemo

    private static AtomicReference<Integer> atomicReference = new AtomicReference<>(100);

    public static void main(String[] args)

        new Thread(() ->

            atomicReference.compareAndSet(100, 101);

            atomicReference.compareAndSet(101, 100);

        ).start();

        new Thread(() ->

            // 保证上面线程先执行

            try

                Thread.sleep(1000);

            catch (InterruptedException e)

                e.printStackTrace();

           

            atomicReference.compareAndSet(100, 2019);

            System.out.println(atomicReference.get()); // 2019

        ).start();

   



当有一个值从 A 改为 B 又改为 A，这就是 ABA 问题。

时间戳原子引用

package com.cuzz.thread;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicStampedReference;

/**

* @program: learn-demo

* @description: ABA

* @author: cuzz

* @create: 2019-04-21 23:31

**/

public class ABADemo2

    private static AtomicStampedReference<Integer> atomicStampedReference = new AtomicStampedReference<>(100, 1);

    public static void main(String[] args)

        new Thread(() ->

            int stamp = atomicStampedReference.getStamp();

            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 的版本号为：" + stamp);

            try

                Thread.sleep(1000);

            catch (InterruptedException e)

                e.printStackTrace();

           

            atomicStampedReference.compareAndSet(100, 101, atomicStampedReference.getStamp(), atomicStampedReference.getStamp() + 1 );

            atomicStampedReference.compareAndSet(101, 100, atomicStampedReference.getStamp(), atomicStampedReference.getStamp() + 1 );

        ).start();

        new Thread(() ->

            int stamp = atomicStampedReference.getStamp();

            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 的版本号为：" + stamp);

            try

                Thread.sleep(3000);

            catch (InterruptedException e)

                e.printStackTrace();

           

            boolean b = atomicStampedReference.compareAndSet(100, 2019, stamp, stamp + 1);

            System.out.println(b); // false

            System.out.println(atomicStampedReference.getReference()); // 100

        ).start();

   



我们先保证两个线程的初始版本为一致，后面修改是由于版本不一样就会修改失败