JUC 之比较交换 CAS

news2024/9/29 18:13:45

—— CAS（Compare And Swap）

没有 CAS 之前，多线程环境下不使用原子类保证线程安全 i++，只能通过 synchronized 加锁的方式，高并发多写情况下，性能影响很大；使用 CAS 之后，可以使用原子类（Atomic ）保证线程安全，类似于 乐观锁

原理

CAS（compare and swap）：比较并交换，是一条 CPU 并发原语，它包含 3 个操作数——内存位置、预期原值、更新值（主内存值、工作内存值、更新值）
- 执行 CAS 操作的时候，将内存位置的值与预期原值比较；
- 如果匹配，那么处理器会自动将位置值更新为新值
- 如果不匹配，处理器不做任何操作，多个贤臣同时执行 CAS 操作 只有一个会成功
- 当且仅当旧的预期值和内存值相同时，将内存值修改为更新值，否则什么都不做或重来，当它重来重试的这种行为称为自旋

硬件保证

CAS 是 JDK 提供的非阻塞原子性操作，它通过硬件保证了比较-更新的原子性，它是非阻塞的且自身具有原子性，效率更高，且通过硬件保证，更可靠
CAS 是一条 CPU 的原子指令（cmpxchg指令【compare x change】），不会造成所谓的数据不一致问题，Unsafe 提供的 CAS 方法底层实现即为 CPU 指令 cmpxchg
- 执行cmpxchg指令时，会判断当前系统是否为多核系统，如果是就给总线加锁，只有一个线程会对总线加锁成功，加锁成功之后会执行 CAS 操作，也就是说 CAS的原子性实际上是 CPU 实现独占的，比起用 synchronized 重量级锁，这里的排他时间要短很多，所以在多线程情况下性能会更好

源码说明

    public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
    }

参数说明
- this：表示要操作的对象
- valueOffset：表示要操作对象中属性地址的偏移量
- expect：表示需要修改数据的期望的值
- update：表示需要修改为的新值

Unsafe 类详解

是 CAS 的核心类，由于 Java 方法无法直接访问底层系统，需要通过本地（native）方法来访问，Unsafe 相当于一个后门，基于该类可以直接操作特定内存的数据。Unsafe 类存在于 sun.misc 包中，其内部方法操作可以像 C 的指针一样直接操作内存，因为 Java 中 CAS 操作的执行依赖于 Unsafe 类的方法
Unsafe 类中的所有方法都是 native 修饰的，所以 Unsafe 类中的方法都直接调用操作系统底层资源执行相应任务
变量 valueOffset，Unsafe 就是根据内存偏移地址来获取数据的
变量 value 用 volatile 修饰，保证了多线程之间的内存可见性
AtomicInteger 类主要利用 CAS + volatile + native 方法来保证原子操作，从而避免 synchronized 的高开销，执行效率大为提升
CAS 并发原语体现在 Java 语言中就是 sun.misc.Unsafe 类中的各个方法。调用 Unsafe 类中的 CAS 方法，JVM 会帮我们实现出 CAS 汇编指令。这是一种完全依赖于硬件的功能，通过它实现了原子操作。由于 CAS 是一种系统原语，原语属于操作系统用语范畴，是由若干条指令组成的，用于完成某个功能的一个过程，并且原语的执行必须是连续的，在执行过程中不允许被打断，也就是说 CAS 是一条 CPU 的原子指令，不会造成所谓的数据不一致问题

总结

缺点

自旋引起的循环时间长，CPU 开销大
ABA 问题
- CAS 算法实现一个重要前提是，需要取出内存中某个时刻的数据并在当下时刻比较并交换，那么在这个时间差会导致数据的变化
- 比如一个线程A 从内存位置取出 1，另一个线程B 也从内存中取出 1，并且线程 B 进行了一些操作将 1 改为 2，然后线程B 又将 2 改回了 1，这时线程 A 进行CAS 操作发现内存中仍然是 1，预期 OK ，进行操作更改
- 尽管线程 A 的 CAS 操作成功，但是不代表这个过程就是没有问题的

通过版本号戳记流水原子引用（AtomicStampedReference）可解决 ABA 问题