JavaEE：CAS详解

news2024/11/23 7:18:00

一.什么是CAS

CAS: 全称 Compare and swap ，字面意思 :” 比较并交换 “ ，一个 CAS 涉及到以下操作：

我们假设内存中的原数据V，旧的预期值A，需要修改的新值B。

我们来进行操作：

1. 比较 V 和 A 是否相等。（比较）

2. 如果比较是相等的，将B 写入 V。（交换）

3. 返回操作是否成功。

伪代码如下：

boolean CAS(address, expectValue, swapValue) {
 if (&address == expectedValue) {
   &address = swapValue;
        return true;
   }
    return false;
}

这个就大概介绍了CAS的工作流程

二.CAS是如何实现的

针对不同的操作系统，JVM用到了不同的CAS实现原理

java 的 CAS 利用的的是 unsafe 这个类提供的 CAS 操作；
unsafe 的 CAS 依赖了的是 jvm 针对不同的操作系统实现的 Atomic::cmpxchg；
Atomic::cmpxchg 的实现使用了汇编的 CAS 操作，并使用 cpu 硬件提供的 lock 机制保证其原子性。

三.CAS的应用

1.实现原子类

我们都知道，在多线程环境下，我们的++操作不是线程安全的。那么我们的CAS就自己将 ++ 操作是现成了原子类。

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class CAS {
    public static void main(String[] args) {
        AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);
        int ret = atomicInteger.incrementAndGet();
        System.out.println(ret);
    }
}

此时在Java中，为我们提供了这样的 ++ 原子类操作。以上代码的运行结果为 1 。

那么我们深究一下这其中的实现原理

先来看下面的伪代码：

class AtomicInteger {
    private int value;
    public int getAndIncrement() {
        int oldValue = value;
        while ( CAS(value, oldValue, oldValue+1) != true) {
            oldValue = value;
       }
        return oldValue;
   }
}

首先要知道我们的CAS操作时原子的。在多线程环境下，那么他是如何保证每次读到的值，都是我们预期的值呢？

我们看下面的图片：

🎈第一步

两个线程都读取 value 的值到 oldValue 中. (oldValue 是一个局部变量, 在栈上. 每个线程有自己的栈)

🎈第二步

线程1进行CAS操作，先进行比较，发现 oldValue 和 Value 都是相同的，然后进行oldValue+1操作，最后再写入到内存中。此时主内存中Value的值为 1

🎈第三步

此时线程2进行操作。再进行比较 oldValue 和 Value 是否相同的时候，发现不相同。此时重新进入while循环！在循环的时候, 会刷新oldValue的值-->1，此时oldValued 和 Value的值就相同了。正常进行+1赋值操作。

🎈第四步

线程 1 和线程 2 返回各自的 oldValue 的值即可

我们可以很清楚的看到，CAS使用while循环巧妙的解决了++操作的线程安全问题。

2.实现自旋锁

先来看自旋锁的伪代码：

public class SpinLock {
    private Thread owner = null;
    public void lock(){
        // 通过 CAS 看当前锁是否被某个线程持有. 
        // 如果这个锁已经被别的线程持有, 那么就自旋等待. 
        // 如果这个锁没有被别的线程持有, 那么就把 owner 设为当前尝试加锁的线程. 
        while(!CAS(this.owner, null, Thread.currentThread())){
       }
   }
    public void unlock (){
        this.owner = null;
   }
}

自旋锁其实时一种锁的策略，它的实现原理就是如果当前的线程是有锁的，那么就一直while循环尝试获取锁，如果没锁了，那么就直接可以获取到CPU了。