文章目录

• 概述
• CAS底层原理
• CAS缺点
• • ABA问题
  • 解决ABA问题
  • • AtomicStampedReference
• 总结

概述

CAS的全称是Compare-And-Swap，它是CPU并发原语

它的功能是判断内存某个位置的值是否为预期值，如果是则更改为新的值，这个过程是原子的

CAS并发原语体现在Java语言中就是sun.misc.Unsafe类的各个方法。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，再次强调，由于CAS是一种系统原语，原语属于操作系统用于范畴，是由若干条指令组成，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，不会造成所谓的数据不一致的问题，也就是说CAS是线程安全的。

CAS底层原理

在Volatile中谈到有JUC下的原子类，用来线程安全的实现number++，那就是atomicInteger.getAndIncrement()方法，查看该方法源码

从这里能够看到，底层又调用了一个unsafe类的getAndAddInt方法

1.unsafe类

Unsafe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的内存数据。Unsafe类存在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中的CAS操作的执行依赖于Unsafe类的方法。

注意Unsafe类的所有方法都是native修饰的，也就是说unsafe类中的方法都直接调用操作系统底层资源执行相应的任务

Atomic修饰的包装类能够保证原子性，依靠的就是底层的unsafe类

2.变量valueOffset

表示该变量值在内存中的偏移地址，因为Unsafe就是根据内存偏移地址获取数据的。

通过valueOffset，直接通过内存地址，获取到值，然后进行加1的操作

3.变量value用volatile修饰

保证了多线程之间的内存可见性

var5：就是我们从主内存中拷贝到工作内存中的值

那么操作的时候，需要比较工作内存中的值，和主内存中的值进行比较

假设执行 compareAndSwapInt返回false，那么就一直执行 while方法，直到期望的值和真实值一样

• val1：AtomicInteger对象本身
• var2：该对象值得引用地址
• var4：需要变动的数量
• var5：用var1和var2找到的内存中的真实值
  • 用该对象当前的值与var5比较
  • 如果相同，更新var5 + var4 并返回true
  • 如果不同，继续取值然后再比较，直到更新完成

这里没有用synchronized，而用CAS，这样提高了并发性，也能够实现一致性，是因为每个线程进来后，进入的do while循环，然后不断的获取内存中的值，判断是否为最新，然后在进行更新操作。

假设线程A和线程B同时执行getAndInt操作（分别跑在不同的CPU上）

1. AtomicInteger里面的value原始值为3，即主内存中AtomicInteger的 value 为3，根据JMM模型，线程A和线程B各自持有一份价值为3的副本，分别存储在各自的工作内存
2. 线程A通过getIntVolatile(var1 , var2) 拿到value值3，这时线程A被挂起（该线程失去CPU执行权）
3. 线程B也通过getIntVolatile(var1, var2)方法获取到value值也是3，此时刚好线程B没有被挂起，并执行了compareAndSwapInt方法，比较内存的值也是3，成功修改内存值为4，线程B打完收工，一切OK
4. 这时候线程A恢复，执行CAS方法，比较发现自己手里的数字3和主内存中的数字4不一致，说明该值已经被其它线程抢先一步修改过了，那么A线程本次修改失败，只能够重新读取后在来一遍了，也就是在执行do while
5. 线程A重新获取value值，因为变量value被volatile修饰，所以其它线程对它的修改，线程A总能够看到，线程A继续执行compareAndSwapInt进行比较替换，直到成功。

Unsafe类 + CAS思想： 也就是自旋，自我旋转

CAS缺点

CAS不加锁，保证一次性，但是需要多次比较

• 循环时间长，开销大（因为执行的是do while，如果比较不成功一直在循环，最差的情况，就是某个线程一直取到的值和预期值都不一样，这样就会无限循环）
• 只能保证一个共享变量的原子操作
  • 当对一个共享变量执行操作时，我们可以通过循环CAS的方式来保证原子操作
  • 但是对于多个共享变量操作时，循环CAS就无法保证操作的原子性，这个时候只能用锁来保证原子性
• 引出来ABA问题

ABA问题

俗话来说就是“狸猫换太子”，比如十年前的小明同学跟十年后的小明同学，虽然是表明上同一个人，但十年间他发生了什么事你并不清楚。

假设现在有两个线程，分别是T1 和 T2，然后T1执行某个操作的时间为10秒，T2执行某个时间的操作是2秒，最开始AB两个线程，分别从主内存中获取A值，但是因为B的执行速度更快，他先把A的值改成B，然后在修改成A，然后执行完毕，T1线程在10秒后，执行完毕，判断内存中的值为A，并且和自己预期的值一样，它就认为没有人更改了主内存中的值，就快乐的修改成B，但是实际上 可能中间经历了 ABCDEFA 这个变换，也就是中间的值经历了狸猫换太子。

所以ABA问题就是，在进行获取主内存值的时候，该内存值在我们写入主内存的时候，已经被修改了N次，但是最终又改成原来的值了

CAS只管开头和结尾，也就是头和尾是一样，那就修改成功，中间的这个过程，可能会被人修改过

解决ABA问题

新增一种机制，也就是修改版本号，类似于时间戳的概念

如原来的A，版本号为2，落后于现在的版本号3，所以要重新获取最新值，这里就提出了一个使用时间戳版本号，来解决ABA问题的思路

这里引出原子应用的概念

原子引用其实和原子包装类是差不多的概念，就是将一个java类，用原子引用类进行包装起来，那么这个类就具备了原子性

AtomicStampedReference

时间戳原子引用，来这里应用于版本号的更新，也就是每次更新的时候，需要比较期望值和当前值，以及期望版本号和当前版本号

public class ABADemo { 

    
    static AtomicReference<Integer> atomicReference = new AtomicReference<>(100);

    // 传递两个值，一个是初始值，一个是初始版本号
    static AtomicStampedReference<Integer> atomicStampedReference = new AtomicStampedReference<>(100, 1);

    public static void main(String[] args) { 

        System.out.println("============以下是ABA问题的产生==========");

        new Thread(() -> { 
            // 把100 改成 101 然后在改成100，也就是ABA
            atomicReference.compareAndSet(100, 101);
            atomicReference.compareAndSet(101, 100);
        }, "t1").start();

        new Thread(() -> { 
            try { 
                // 睡眠一秒，保证t1线程，完成了ABA操作
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            } catch (InterruptedException e) { 
                e.printStackTrace();
            }
            // 把100 改成 101 然后在改成100，也就是ABA
            System.out.println(atomicReference.compareAndSet(100, 2019) + "\t" + atomicReference.get());

        }, "t2").start();

        System.out.println("============以下是ABA问题的解决==========");

        new Thread(() -> { 

            // 获取版本号
            int stamp = atomicStampedReference.getStamp();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 第一次版本号" + stamp);

            // 暂停t3一秒钟
            try { 
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            } catch (InterruptedException e) { 
                e.printStackTrace();
            }

            // 传入4个值，期望值，更新值，期望版本号，更新版本号
            atomicStampedReference.compareAndSet(100, 101, atomicStampedReference.getStamp(), atomicStampedReference.getStamp()+1);

            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 第二次版本号" + atomicStampedReference.getStamp());

            atomicStampedReference.compareAndSet(101, 100, atomicStampedReference.getStamp(), atomicStampedReference.getStamp()+1);

            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 第三次版本号" + atomicStampedReference.getStamp());

        }, "t3").start();

        new Thread(() -> { 

            // 获取版本号
            int stamp = atomicStampedReference.getStamp();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 第一次版本号" + stamp);

            // 暂停t4 3秒钟，保证t3线程也进行一次ABA问题
            try { 
                TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
            } catch (InterruptedException e) { 
                e.printStackTrace();
            }

            boolean result = atomicStampedReference.compareAndSet(100, 2019, stamp, stamp+1);

            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 修改成功否：" + result + "\t 当前最新实际版本号：" + atomicStampedReference.getStamp());

            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 当前实际最新值" + atomicStampedReference.getReference());


        }, "t4").start();

    }
}

线程t3，在进行ABA操作后，版本号变更成了3，而线程t4在进行操作的时候，就出现操作失败了，因为版本号和当初拿到的不一样

总结

CAS
CAS是compareAndSwap，比较当前工作内存中的值和主物理内存中的值，如果相同则执行规定操作，否者继续比较直到主内存和工作内存的值一致为止

CAS应用
CAS有3个操作数，内存值V，旧的预期值A，要修改的更新值B。当且仅当预期值A和内存值V相同时，将内存值V修改为B，否者什么都不做