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Java CAS
一.什么是CAS
CAS（Compare And Swap，比较并交换），通常指的是这样一种原子操作：针对一个变量，首先比较它的内存值与某个期望值是否相同，如果相同，就给它赋一个新值。
- CAS是一个不可分割的原子操作，并且其原子性是直接在硬件层面得到保障的。
- CAS是乐观锁（对比数据库的悲观、乐观锁）的一种实现方式，Java原子类中的递增操 作就通过CAS自旋实现的。
- CAS是一种无锁算法，在不使用锁（没有线程被阻塞）的情况下实现多线程之间的变量同步。
二.流程
三.应用
在 Java 中，CAS 操作是由 Unsafe 类提供支持的，该类定义了三种针对不同类型变量的 CAS 操作
public final native boolean compareAndSwapObject(Object var1, long var2, Object var4, Object var5);
public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);
public final native boolean compareAndSwapLong(Object var1, long var2, long var4, long var6);
它们都是 native 方法，由 Java 虚拟机提供具体实现，这意味着不同的 Java 虚拟机对它们的实现可能会略有不同。
以compareAndSwapInt为例，该方法提供四个参数，分别是：对象实例、内存偏移量、字段期望值、字段新值。该方法会针对指定对象实例中的相应偏移量的字段执行 CAS 操作。
public class CASTest {
public static void main(String[] args) {
Entity entity = new Entity();
Unsafe unsafe = UnsafeFactory.getUnsafe();
long offset = UnsafeFactory.getFieldOffset(unsafe, Entity.class, "x");
//12
System.out.println(offset);
boolean successful;
// 4个参数分别是：对象实例、字段的内存偏移量、字段期望值、字段更新值
//x是不是等于0，如果等于0就把它修改为3
successful = unsafe.compareAndSwapInt(entity, offset, 0, 3);
System.out.println(successful + "-----" + entity.x);
successful = unsafe.compareAndSwapInt(entity, offset, 3, 5);
System.out.println(successful + "-----" + entity.x);
successful = unsafe.compareAndSwapInt(entity, offset, 3, 8);
System.out.println(successful + "-----" + entity.x);
}
}
class Entity{
int x;
}
public class UnsafeFactory {
/**
* 获取 Unsafe 对象
* @return
*/
public static Unsafe getUnsafe() {
try {
Field field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
field.setAccessible(true);
return (Unsafe) field.get(null);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
return null;
}
/**
* 获取字段的内存偏移量
* @param unsafe
* @param clazz
* @param fieldName
* @return
*/
public static long getFieldOffset(Unsafe unsafe, Class clazz, String fieldName) {
try {
return unsafe.objectFieldOffset(clazz.getDeclaredField(fieldName));
} catch (NoSuchFieldException e) {
throw new Error(e);
}
}
}
将x做了三次修改，执行结果是：
12
true-----3
true-----5
false-----5
四.源码解析
Hotspot 虚拟机对compareAndSwapInt 方法的实现如下：
#unsafe.cpp
UNSAFE_ENTRY(jboolean, Unsafe_CompareAndSwapInt(JNIEnv *env, jobject unsafe, jo bject obj, jlong offset, jint e, jint x))
UnsafeWrapper("Unsafe_CompareAndSwapInt");
oop p = JNIHandles::resolve(obj);
// 根据偏移量，计算value的地址
jint* addr = (jint *) index_oop_from_field_offset_long(p, offset);
// Atomic::cmpxchg(x, addr, e) cas逻辑 x:要交换的值 e:要比较的值
//cas成功，返回期望值e，等于e,此方法返回true
//cas失败，返回内存中的value值，不等于e，此方法返回false
return (jint)(Atomic::cmpxchg(x, addr, e)) == e;
UNSAFE_END
核心逻辑在Atomic::cmpxchg方法中，这个根据不同操作系统和不同CPU会有不同的 实现。这里我们以linux_64x的为例，查看Atomic::cmpxchg的实现
#atomic_linux_x86.inline.hpp
inline jint Atomic::cmpxchg (jint exchange_value, volatile jint* dest, jint com pare_value) {
//判断当前执行环境是否为多处理器环境
int mp = os::is_MP();
//LOCK_IF_MP(%4)在多处理器环境下，为cmpxchgl指令添加lock前缀，以达到内存屏障的效果
//cmpxchgl 指令是包含在 x86 架构及 IA‐64 架构中的一个原子条件指令，
//它会首先比较 dest 指针指向的内存值是否和 compare_value 的值相等，
//如果相等，则双向交换 dest 与 exchange_value，否则就单方面地将dest指向的内存值交给exchange_value。
//这条指令完成了整个CAS操作，因此它也被称为CAS指令。
__asm__ volatile (LOCK_IF_MP(%4) "cmpxchgl %1,(%3)"
: "=a" (exchange_value)
: "r" (exchange_value), "a" (compare_value), "r" (dest), "r" (mp)
: "cc", "memory");
return exchange_value;
}
需要注意的是cmpxchg有个隐含操作数eax，其实际过程是先比较eax的值(也就是 compare_value)和dest地址所存的值是否相等， 输出是"=a" (exchange_value)，表示把eax中存的值写入exchange_value变量中。
Atomic::cmpxchg这个函数最终返回值是exchange_value，也就是说，如果cmpxchgl执行时compare_value和dest指针指向内存值相等则会使得dest指针指向内存值变成 exchange_value，最终eax存的compare_value赋值给了exchange_value变量，即函数最终返回的值是原先的compare_value。此时Unsafe_CompareAndSwapInt的返回值(jint) (Atomic::cmpxchg(x, addr, e)) == e就是true，表明CAS成功。如果cmpxchgl执行时 compare_value和(dest)不等则会把当前dest指针指向内存的值写入eax，最终输出时赋值给exchange_value变量作为返回值，导致(jint)(Atomic::cmpxchg(x, addr, e)) == e得到 false，表明CAS失败。
不管是 Hotspot 中的 Atomic::cmpxchg 方法，还是 Java 中的 compareAndSwapInt 方法，它 们本质上都是对相应平台的 CAS 指令的一层简单封装。CAS 指令作为一种硬件原语，有着天然 的原子性，这也正是 CAS 的价值所在。
五.缺点
CAS 虽然高效地解决了原子操作，但是还是存在一些缺陷的，主要表现在三个方面：
- 自旋 CAS 长时间地不成功，则会给 CPU 带来非常大的开销
- 只能保证一个共享变量原子操作
- ABA 问题
六.ABA 问题及解决方案
CAS算法实现一个重要前提需要取出内存中某时刻的数据，而在下时刻比较并替换，那么在这个时间差类会导致数据的变化。
当有多个线程对一个原子类进行操作的时候，某个线程在短时间内将原子类的值A修改为B，又马上将其修改为A，此时其他线程不感知，还是会修改成功。
代码演示
public class ABATest {
public static void main(String[] args) {
AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(1);
new Thread(()->{
int value = atomicInteger.get();
log.debug("Thread1 read value: " + value);
// 阻塞1s
LockSupport.parkNanos(1000000000L);
// Thread1通过CAS修改value值为3
if (atomicInteger.compareAndSet(value, 3)) {
log.debug("Thread1 update from " + value + " to 3");
} else {
log.debug("Thread1 update fail!");
}
},"Thread1").start();
new Thread(()->{
int value = atomicInteger.get();
log.debug("Thread2 read value: " + value);
// Thread2通过CAS修改value值为2
if (atomicInteger.compareAndSet(value, 2)) {
log.debug("Thread2 update from " + value + " to 2");
// do something
value = atomicInteger.get();
log.debug("Thread2 read value: " + value);
// Thread2通过CAS修改value值为1
if (atomicInteger.compareAndSet(value, 1)) {
log.debug("Thread2 update from " + value + " to 1");
}
}
},"Thread2").start();
}
}
Thread1 read value: 1
Thread2 read value: 1
Thread2 update from 1 to 2
Thread2 read value: 2
Thread2 update from 2 to 1
Thread1 update from 1 to 3
Thread1以为值没有更新过，还是将1更新为了3
解决：
数据库有个锁称为乐观锁，是一种基于数据版本实现数据同步的机制，每次修改一次数据，版本就会进行累加。 同样，Java也提供了相应的原子引用类AtomicStampedReference。
public class AtomicStampedReference<V> {
private static class Pair<T> {
final T reference;
final int stamp;
private Pair(T reference, int stamp) {
this.reference = reference;
this.stamp = stamp;
}
static <T> Pair<T> of(T reference, int stamp) {
return new Pair<T>(reference, stamp);
}
}
...
stamp是版本，每次修改可以通过+1保证版本唯一性。这样 就可以保证每次修改后的版本也会往上递增。
public class AtomicStampedReferenceTest {
public static void main(String[] args) {
// 定义AtomicStampedReference Pair.reference值为1, Pair.stamp为1
AtomicStampedReference atomicStampedReference = new AtomicStampedReference(1,1);
new Thread(()->{
int[] stampHolder = new int[1];
int value = (int) atomicStampedReference.get(stampHolder);
int stamp = stampHolder[0];
log.debug("Thread1 read value: " + value + ", stamp: " + stamp);
// 阻塞1s
LockSupport.parkNanos(1000000000L);
// Thread1通过CAS修改value值为3 stamp是版本，每次修改可以通过+1保证版本唯一性
if (atomicStampedReference.compareAndSet(value, 3,stamp,stamp+1)) {
log.debug("Thread1 update from " + value + " to 3");
} else {
log.debug("Thread1 update fail!");
}
},"Thread1").start();
new Thread(()->{
int[] stampHolder = new int[1];
int value = (int)atomicStampedReference.get(stampHolder);
int stamp = stampHolder[0];
log.debug("Thread2 read value: " + value+ ", stamp: " + stamp);
// Thread2通过CAS修改value值为2
if (atomicStampedReference.compareAndSet(value, 2,stamp,stamp+1)) {
log.debug("Thread2 update from " + value + " to 2");
// do something
value = (int) atomicStampedReference.get(stampHolder);
stamp = stampHolder[0];
log.debug("Thread2 read value: " + value+ ", stamp: " + stamp);
// Thread2通过CAS修改value值为1
if (atomicStampedReference.compareAndSet(value, 1,stamp,stamp+1)) {
log.debug("Thread2 update from " + value + " to 1");
}
}
},"Thread2").start();
}
}
Thread1 read value: 1, stamp: 1
Thread2 read value: 1, stamp: 1
Thread2 update from 1 to 2
Thread2 read value: 2, stamp: 2
Thread2 update from 2 to 1
Thread1 update fail!
因为版本不一样，Thread1没有将值修改成功，这就解决了ABA问题。
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