【多线程】CAS详解

🌴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。

⽐较 A 与 V 是否相等。（⽐较）
如果⽐较相等，将 B 写⼊ V。（交换）
返回操作是否成功。

🌸CAS 伪代码

下⾯写的代码不是原⼦的, 真实的 CAS 是⼀个原⼦的硬件指令完成的. 这个伪代码只是辅助理解 CAS的⼯作流程.

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

下面看两种典型的不是原子性的代码：

check and set (if 判定然后设定值) [上⾯的 CAS 伪代码就是这种形式]
read and update (i++) [之前我们讲线程安全的代码例⼦是这种形式]

CAS原子性的作用：

当多个线程同时对某个资源进⾏CAS操作，只能有⼀个线程操作成功，但是并不会阻塞其他线程,其他
线程只会收到操作失败的信号。

所以

CAS 可以视为是⼀种乐观锁. (或者可以理解成 CAS 是乐观锁的⼀种实现⽅式)

🎍CAS 是怎么实现的

针对不同的操作系统，JVM ⽤到了不同的 CAS 实现原理，简单来讲：

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。

简⽽⾔之，是因为硬件予以了⽀持，软件层⾯才能做到。

🍀CAS 有哪些应⽤

🌸实现原子类

标准库中提供了 java.util.concurrent.atomic 包, ⾥⾯的类都是基于这种⽅式来实现的.
典型的就是 AtomicInteger 类. 其中的 getAndIncrement 相当于 i++ 操作.

AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);
// 相当于 i++
atomicInteger.getAndIncrement();

伪代码实现:

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

假设两个线程同时调⽤ getAndIncrement

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)
线程1 先执⾏ CAS 操作. 由于 oldValue 和 value 的值相同, 直接进⾏对 value 赋值.

注意:
• CAS 是直接读写内存的, ⽽不是操作寄存器.
• CAS 的读内存, ⽐较, 写内存操作是⼀条硬件指令, 是原⼦的.

在这里插入图片描述
3. 线程2 再执⾏ CAS 操作, 第⼀次 CAS 的时候发现 oldValue 和 value 不相等, 不能进⾏赋值. 因此需要进⼊循环.

在循环⾥重新读取 value 的值赋给 oldValue
在这里插入图片描述
4. 线程2 接下来第⼆次执⾏ CAS, 此时 oldValue 和 value 相同, 于是直接执⾏赋值操作.

在这里插入图片描述
5. 线程1 和线程2 返回各⾃的 oldValue 的值即可.

通过形如上述代码就可以实现⼀个原⼦类. 不需要使⽤重量级锁, 就可以⾼效的完成多线程的⾃增操作.

本来 check and set 这样的操作在代码⻆度不是原⼦的. 但是在硬件层⾯上可以让⼀条指令完成这个
操作, 也就变成原⼦的了.

🌸实现自旋锁

基于 CAS 实现更灵活的锁, 获取到更多的控制权.

⾃旋锁伪代码：

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;
 }
}

🌳CAS 的 ABA 问题

🌸什么是 ABA 问题？

通过下面的例子理解ABA问题：

假设存在两个线程 t1 和 t2. 有⼀个共享变量 num, 初始值为 A.
接下来, 线程 t1 想使⽤ CAS 把 num 值改成 Z, 那么就需要

先读取 num 的值, 记录到 oldNum 变量中.
使⽤ CAS 判定当前 num 的值是否为 A, 如果为 A, 就修改成 Z.

但是, 在 t1 执⾏这两个操作之间, t2 线程可能把 num 的值从 A 改成了 B, ⼜从 B 改成了 A

线程 t1 的 CAS 是期望 num 不变就修改. 但是 num 的值已经被 t2 给改了. 只不过⼜改成 A 了. 这个时
候 t1 究竟是否要更新 num 的值为 Z 呢?

到这⼀步, t1 线程⽆法区分当前这个变量始终是 A, 还是经历了⼀个变化过程.

在这里插入图片描述
这就好⽐, 我们买⼀个⼿机, ⽆法判定这个⼿机是刚出⼚的新⼿机, 还是别⼈⽤旧了, ⼜翻新过的⼿机.

🌸ABA 问题引来的 BUG

⼤部分的情况下, t2 线程这样的⼀个反复横跳改动, 对于 t1 是否修改 num 是没有影响的. 但是不排除⼀些特殊情况.

假设滑稽⽼哥有 100 存款. 滑稽想从 ATM 取 50 块钱. 取款机创建了两个线程, 并发的来执⾏ -50 操作.
我们期望⼀个线程执⾏ -50 成功, 另⼀个线程 -50 失败. 如果使⽤ CAS 的⽅式来完成这个扣款过程就可能出现问题.

正常的过程：

存款 100. 线程1 获取到当前存款值为 100, 期望更新为 50; 线程2 获取到当前存款值为 100, 期望更
新为 50.
线程1 执⾏扣款成功, 存款被改成 50. 线程2 阻塞等待中.
轮到线程2 执⾏了, 发现当前存款为 50, 和之前读到的 100 不相同, 执⾏失败.

异常的过程

存款 100. 线程1 获取到当前存款值为 100, 期望更新为 50; 线程2 获取到当前存款值为 100, 期望更
新为 50.
线程1 执⾏扣款成功, 存款被改成 50. 线程2 阻塞等待中.
在线程2 执⾏之前, 滑稽的朋友正好给滑稽转账 50, 账⼾余额变成 100 !!
轮到线程2 执⾏了, 发现当前存款为 100, 和之前读到的 100 相同, 再次执⾏扣款操作

这个时候, 扣款操作被执⾏了两次!!! 都是 ABA 问题搞的⻤!!

🌸解决方案

给要修改的值, 引⼊版本号. 在 CAS ⽐较数据当前值和旧值的同时, 也要⽐较版本号是否符合预期.

• CAS 操作在读取旧值的同时, 也要读取版本号.
• 真正修改的时候,

如果当前版本号和读到的版本号相同, 则修改数据, 并把版本号 + 1.
如果当前版本号⾼于读到的版本号. 就操作失败(认为数据已经被修改过了).

这就好⽐, 判定这个⼿机是否是翻新机, 那么就需要收集每个⼿机的数据, 第⼀次挂在电商⽹站上的⼿
机记为版本1, 以后每次这个⼿机出现在电商⽹站上, 就把版本号进⾏递增. 这样如果买家不在意这是翻
新机, 就买. 如果买家在意, 就可以直接略过.

对⽐理解上⾯的转账例子

假设滑稽⽼哥有 100 存款. 滑稽想从 ATM 取 50 块钱. 取款机创建了两个线程, 并发的来执⾏ -50 操作.
我们期望⼀个线程执⾏ -50 成功, 另⼀个线程 -50 失败. 为了解决 ABA 问题, 给余额搭配⼀个版本号, 初始设为 1.

存款 100. 线程1 获取到存款值为 100, 版本号为 1, 期望更新为 50; 线程2 获取到存款值为 100, 版本
号为 1, 期望更新为 50.
线程1 执⾏扣款成功, 存款被改成 50, 版本号改为2. 线程2 阻塞等待中.
在线程2 执⾏之前, 滑稽的朋友正好给滑稽转账 50, 账⼾余额变成 100, 版本号变成3.
轮到线程2 执⾏了, 发现当前存款为 100, 和之前读到的 100 相同, 但是当前版本号为 3, 之前读到的版本号为 1, 版本⼩于当前版本, 认为操作失败.

在 Java 标准库中提供了 AtomicStampedReference 类. 这个类可以对某个类进⾏包装, 在内
部就提供了上⾯描述的版本管理功能.