面试必问的CAS原理你会了吗？

news2024/9/25 21:21:10

一、什么是CAS？

二、CAS 基本原理

三、CAS 在 Java 语言中的应用

四、CAS 的问题

1、典型 ABA 问题

2、自旋开销问题

3、只能保证单个变量的原子性

五、有态度的总结

在并发编程中我们都知道i++操作是非线程安全的，这是因为 i++操作不是原子操作。

如何保证原子性呢？常用的方法就是加锁。在Java语言中可以使用 Synchronized和CAS实现加锁效果。

Synchronized是悲观锁，线程开始执行第一步就是获取锁，一旦获得锁，其他的线程进入后就会阻塞等待锁。如果不好理解，举个生活中的例子：一个人进入厕所后首先把门锁上（获取锁），然后开始上厕所，这个时候有其他人来了只能在外面等（阻塞），就算再急也没用。上完厕所完事后把门打开（解锁），其他人就可以进入了。

CAS是乐观锁，线程执行的时候不会加锁，假设没有冲突去完成某项操作，如果因为冲突失败了就重试，最后直到成功为止。

一、什么是CAS？

CAS（Compare-And-Swap）是比较并交换的意思，它是一条 CPU 并发原语，用于判断内存中某个值是否为预期值，如果是则更改为新的值，这个过程是原子的。下面用一个小示例解释一下。

CAS机制当中使用了3个基本操作数：内存地址V，旧的预期值A，计算后要修改后的新值B。

1、初始状态：在内存地址V中存储着变量值为 1。

线程1想要把内存地址为 V 的变量值增加1。这个时候对线程1来说，旧的预期值A=1，要修改的新值B=2。

3、在线程1要提交更新之前，线程2捷足先登了，已经把内存地址V中的变量值率先更新成了2。

4、线程1开始提交更新，首先将预期值A和内存地址V的实际值比较（Compare），发现A不等于V的实际值，提交失败。

5、线程1重新获取内存地址 V 的当前值，并重新计算想要修改的新值。此时对线程1来说，A=2，B=3。这个重新尝试的过程被称为自旋。如果多次失败会有多次自旋。

6、线程 1 再次提交更新，这一次没有其他线程改变地址 V 的值。线程1进行Compare，发现预期值 A 和内存地址 V的实际值是相等的，进行 Swap 操作，将内存地址 V 的实际值修改为 B。

总结：更新一个变量的时候，只有当变量的预期值 A 和内存地址 V 中的实际值相同时，才会将内存地址 V 对应的值修改为 B，这整个操作就是CAS。

二、CAS 基本原理

CAS 主要包括两个操作：Compare和Swap，有人可能要问了：两个操作能保证是原子性吗？可以的。

CAS 是一种系统原语，原语属于操作系统用语，原语由若干指令组成，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中断，也就是说 CAS 是一条 CPU 的原子指令，由操作系统硬件来保证。

在 Intel 的 CPU 中，使用 cmpxchg 指令。

回到 Java 语言，JDK 是在 1.5 版本后才引入 CAS 操作，在sun.misc.Unsafe这个类中定义了 CAS 相关的方法。

2public final native boolean compareAndSwapObject(Object o, long offset, Object expected, Object x);

public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset, int expected, int x);

public final native boolean compareAndSwapLong(Object o, long offset, long expected, long x);

可以看到方法被声明为native，如果对 C++ 比较熟悉可以自行下载 OpenJDK 的源码查看 unsafe.cpp，这里不再展开分析。