漫画：什么是CAS机制？（进阶篇）

Posted 2020-12-21

漫画：什么是CAS机制？（进阶篇）

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上一期为大家讲解的CAS机制的基本概念，没看过的小伙伴们可以点击下面的链接：

漫画：什么是 CAS 机制？

这一期我们来深入介绍之前遗留的两个问题：
Java当中CAS的底层实现
CAS的ABA问题和解决方法

首先看一看AtomicInteger当中常用的自增方法 incrementAndGet：

public final int incrementAndGet() {
for (;;) {
int current = get();
int next = current + 1;
if (compareAndSet(current, next))
return next;
}
}
private volatile int value;
public final int get() {
return value;
}

这段代码是一个无限循环，也就是CAS的自旋。循环体当中做了三件事：
1.获取当前值。
2.当前值+1，计算出目标值。
3.进行CAS操作，如果成功则跳出循环，如果失败则重复上述步骤。

这里需要注意的重点是 get 方法，这个方法的作用是获取变量的当前值。

如何保证获得的当前值是内存中的最新值呢？很简单，用volatile关键字来保证。有关volatile关键字的知识，我们之前有介绍过，这里就不详细阐述了。

接下来看一看compareAndSet方法的实现，以及方法所依赖对象的来历：

compareAndSet方法的实现很简单，只有一行代码。这里涉及到两个重要的对象，一个是unsafe，一个是valueOffset。

什么是unsafe呢？Java语言不像C，C++那样可以直接访问底层操作系统，但是JVM为我们提供了一个后门，这个后门就是unsafe。unsafe为我们提供了硬件级别的原子操作。

至于valueOffset对象，是通过unsafe.objectFieldOffset方法得到，所代表的是AtomicInteger对象value成员变量在内存中的偏移量。我们可以简单地把valueOffset理解为value变量的内存地址。

我们在上一期说过，CAS机制当中使用了3个基本操作数：内存地址V，旧的预期值A，要修改的新值B。

而unsafe的compareAndSwapInt方法参数包括了这三个基本元素：valueOffset参数代表了V，expect参数代表了A，update参数代表了B。

正是unsafe的compareAndSwapInt方法保证了Compare和Swap操作之间的原子性操作。

什么是ABA呢？假设内存中有一个值为A的变量，存储在地址V当中。

此时有三个线程想使用CAS的方式更新这个变量值，每个线程的执行时间有略微的偏差。线程1和线程2已经获得当前值，线程3还未获得当前值。

接下来，线程1先一步执行成功，把当前值成功从A更新为B；同时线程2因为某种原因被阻塞住，没有做更新操作；线程3在线程1更新之后，获得了当前值B。

再之后，线程2仍然处于阻塞状态，线程3继续执行，成功把当前值从B更新成了A。

最后，线程2终于恢复了运行状态，由于阻塞之前已经获得了“当前值”A，并且经过compare检测，内存地址V中的实际值也是A，所以成功把变量值A更新成了B。

这个过程中，线程2获取到的变量值A是一个旧值，尽管和当前的实际值相同，但内存地址V中的变量已经经历了A->B->A的改变。

当我们举一个提款机的例子。假设有一个遵循CAS原理的提款机，小灰有100元存款，要用这个提款机来提款50元。

由于提款机硬件出了点小问题，小灰的提款操作被同时提交两次，开启了两个线程，两个线程都是获取当前值100元，要更新成50元。

理想情况下，应该一个线程更新成功，另一个线程更新失败，小灰的存款只被扣一次。

线程1首先执行成功，把余额从100改成50。线程2因为某种原因阻塞了。这时候，小灰的妈妈刚好给小灰汇款50元。

线程2仍然是阻塞状态，线程3执行成功，把余额从50改成100。

线程2恢复运行，由于阻塞之前已经获得了“当前值”100，并且经过compare检测，此时存款实际值也是100，所以成功把变量值100更新成了50。

这个举例改编自《java特种兵》当中的一段例子。原本线程2应当提交失败，小灰的正确余额应该保持为100元，结果由于ABA问题提交成功了。

什么意思呢？真正要做到严谨的CAS机制，我们在Compare阶段不仅要比较期望值A和地址V中的实际值，还要比较变量的版本号是否一致。

我们仍然以最初的例子来说明一下，假设地址V中存储着变量值A，当前版本号是01。线程1获得了当前值A和版本号01，想要更新为B，但是被阻塞了。

这时候，内存地址V中的变量发生了多次改变，版本号提升为03，但是变量值仍然是A。

随后线程1恢复运行，进行Compare操作。经过比较，线程1所获得的值和地址V的实际值都是A，但是版本号不相等，所以这一次更新失败。

在Java当中，AtomicStampedReference类就实现了用版本号做比较的CAS机制。

1. Java语言CAS底层如何实现？
   利用unsafe提供了原子性操作方法。

2. 什么是ABA问题？怎么解决？
   当一个值从A更新成B，又更新会A，普通CAS机制会误判通过检测。
   利用版本号比较可以有效解决ABA问题。

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