cas底层原理

Posted 2023-03-18

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