CAS的实现原理

Posted 2022-06-10 zohy

CAS的全称是CompareAndSwap，比较并交换，是Java保证原子性的一种重要方法，也是一种乐观锁的实现方式。

它需要先提前一步获取旧值，然后进入此方法比较当下的值是否与旧值相同，如果相同，则更新数据，否则退出方法，重复一遍刚才的动作。由此可见，CAS方法是非堵塞的。CAS方法需要三个参数，变量内存值、旧的预期值、数据更新值

CAS的伪代码可以表示为：

do

　　获取备份旧数据；

　　准备更新的数据；

while( !CAS( 内存地址，备份的旧数据，新数据 ))

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

    /**
     * Atomically sets the value to the given updated value
     * if the current value @code == the expected value.
     *
     * @param expect the expected value
     * @param update the new value
     * @return @code true if successful. False return indicates that
     * the actual value was not equal to the expected value.
     */
    public final boolean compareAndSet(int expect, int update) 
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
    

上面是原子类AtomicInteger的局部源码，可以看出来Java中的CAS操作都是由Sun包下的Unsafe类实现的，而unsafe类中的方法都是Native方法，都是由JVM本地实现。

然后简单去网上找了找相关的openJDK源码，它调用了Atomic:comxchg方法，这个方法的实现放在了hotspot下的os_cpu包中的，也就是说它调用了操作系统和CPU层级的东西。

经过进一步了解获知，这个方法在Linux x86系统的多处理器情况下是通过调用LOCK指令来实现的，立刻写会内存且令其他缓存行失效。

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CAS的问题：

1、ABA问题，比如刚开始读取到备份是3，然后被其他线程连续修改两次，最终结果还是3，那么CAS很可能识别不到数据发生了改变，这种情况对程序造成了极大的安全隐患。可以通过添加版本号等标志位来解决该问题。

2、循环时间长开销大，如果长时间自旋不成功，会给CPU带来很大开销。可以使用自适应自旋锁解决这个问题

3、只能保证一个共享变量的原子操作。比如AtomicInteger都是每次只能对一个变量进行原子性控制。

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单次CAS操作的开销：

这是一个8核CPU的计算机系统，先简单介绍一下CPU的硬件结构体系。每个CPU都有一个高速缓存区Cache（寄存器），每两个CPU之间有一段互联模块可以让管芯内的两个核可以互相通信，最中间还有个系统互联模块可以让四个管芯进行通讯。数据以“缓存线”为单位在系统中传输，缓存线对应内存中2的整数幂的一个字节块

计算机系统中，当CPU要获取一个变量值的时候，必须要将包含了该变量的缓存线保存到自己的寄存器中；CPU要向主存写入值的时候，根据缓存一致性协议，必须保证其他CPU获知此操作，或者让其他CPU删除该缓存线的拷贝。

因此，如果CPU1和CPU5同时持有一个变量的缓存线，然后CPU5想进行CAS操作，那么它需要访问CPU5、6的互联模块，未找到持有该缓存线的CPU，然后访问系统级的互联模块，发现第一处互联模块有该缓存线，继而访问第一处互联模块，最终找到了CPU1。此时才算是完成了大部分操作。因此如果从最优角度考虑，CAS所花费的时钟周期较锁来说要小很多。