CAS原理详解

 本文包含知识点

• CAS是什么？
• CAS应用场景及原理
• CAS的不足

 1.CAS是什么？

CAS是Compare And Swap的缩写，比较并更新，是非阻塞同步的实现原理，它是CPU硬件层面的一种指令，从CPU层面能保证"比较并更新"两个操作的原子性。CAS指令操作包括三个参数：内存值(内存地址值)V、预期值A、新值B，当CAS指令执行时，当且仅当预期值A和内存值V相同时，才更新内存值为B，否则就不执行更新，无论更新与否都会返回否会返回旧的内存值V，上述的处理过程是一个原子操作。用java代码等效实现一下CAS的执行过程：

  

   

    

     

    
    

     

      /**
     
    
   

    

     

    
    

     

       * @description CAS等价代码
     
    
   

    

     

    
    

     

       **/
     
    
   

    

     

    
    

     

      public 
      class CASTest {
     
    
   

    

     

    
    

     
 
     
    
   

    

     

    
    

     
    
      //内存值
     
    
   

    

     

    
    

     
    
      private 
      volatile 
      int ramAddress;
     
    
   

    

     

    
    

     
 
     
    
   

    

     

    
    

     
    
      /**
     
    
   

    

     

    
    

     

       * @param exceptRecord 期望值
     
    
   

    

     

    
    

     

       * @return newRecord 新值
     
    
   

    

     

    
    

     

       **/
     
    
   

    

     

    
    

     
    
      public synchronized int compareAndSwap(int exceptRecord, int newRecord) {
     
    
   

    

     

    
    

     
        
      int oldRamAddress = ramAddress;
     
    
   

    

     

    
    

     
        
      if (oldRamAddress == exceptRecord) {
     
    
   

    

     

    
    

     

                  ramAddress = newRecord;
     
    
   

    

     

    
    

     

              }
     
    
   

    

     

    
    

     
        
      return oldRamAddress;
     
    
   

    

     

    
    

     

          }
     
    
   

    

     

    
    

     

      }
     
    
  

 2.CAS应用场景及原理

• 原子类：JUC包下的原子类，比如AtomicInteger原子类的incrementAndGet()方法
• 并发容器：比如ConcurrentHashMap的put()方法
• 乐观锁：比如数据库层面的乐观锁操作，我们通过版本号字段来实现

鉴于内存操作是非常敏感的，一不小心就可能搞挂机器，所以像CAS这样的CPU指令集去操作内存并没有向广大开发人员开放，在jdk中被封装在sun.misc.Unsafe类里面，主要体现在Unsafe类的compareAndSwapInt()、copareAndSwapLong()等几个方法包装提供，通过Unsafe工具类来直接操作内存。查看源码我们可以看到这几个方法都是native修饰符修饰的，表示本地方法，本地方法就是指方法的实现体不在当前文件，而是在用其它语言实现的文件中。下面以AtomicInteger原子类为例，简单剖析下源码：

  

   

    

     

    
    

     

      //volatile修饰value变量，保证线程间可见性
     
    
   

    

     

    
    

     

      private 
      volatile 
      int value;
     
    
   

    

     

    
    

     
 
     
    
   

    

     

    
    

     

      static {
     
    
   

    

     

    
    

     
	
      try {
     
    
   

    

     

    
    

     
        
      //拿到内存地址，根据这个地址得到具体的内存值
     
    
   

    

     

    
    

     

      		valueOffset = unsafe.objectFieldOffset(AtomicInteger.class.getDeclaredField(
      "value"));
     
    
   

    

     

    
    

     

      	} 
      catch (Exception var1) {
     
    
   

    

     

    
    

     
		
      throw 
      new Error(var1);
     
    
   

    

     

    
    

     

      	}
     
    
   

    

     

    
    

     

      }
     
    
   

    

     

    
    

     
 
     
    
   

    

     

    
    

     

      public final int incrementAndGet() {
     
    
   

    

     

    
    

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

    

     

    
    

     

      }
     
    
   

    

     

    
    

     
 
     
    
   

    

     

    
    

     

      public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
     
    
   

    

     

    
    

     
	
      int var5;
     
    
   

    

     

    
    

     
	
      //无限循环重试预期值和旧内存值比较动作
     
    
   

    

     

    
    

     
	
      do {
     
    
   

    

     

    
    

     

      		var5 = 
      this.getIntVolatile(var1, var2);
     
    
   

    

     

    
    

     

      	} 
      while(!
      this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));
     
    
   

    

     

    
    

     
 
     
    
   

    

     

    
    

     
	
      return var5;
     
    
   

    

     

    
    

     

      }
     
    
   

    

     

    
    

     
 
     
    
   

    

     

    
    

     

      //包装在Unsafe类中，从cpu层面保证原子性
     
    
   

    

     

    
    

     

      public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);
     
    
  

 3.CAS的不足

CAS存在逻辑漏洞，称为ABA问题：当一个变量V初次读取时是A值，这个时候被线程1改为了B值，又被线程2修改回了A，那么在准备赋值的时检测到它还是A值，CAS就会误认为它没有改变过。显然为了解决这个问题，我们可以加入版本号的概念，通过控制变量值的版本来保证CAS的正确性，比如J.U.C包下的AtomicStampedReference就可以实现，但是一般情况下CAS的这个逻辑漏洞并不会影响程序并发问题。

 引申阅读：