CAS
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CAS在网上已经有数不清的文章，这里只是自己在学习过程中的一个记录，方便以后查阅。
一. 概述
Java中CAS全称Compare and Swap，也就是比较交换。在Java同步工具中，经常可以看到CAS的身影。在Doug Lea大神提供的J.U.C并发包中，可以说CAS是实现整个J.U.C包的基石。
在CAS方法中，有三个操作数，当前的内存值V，旧的预期值A，要修改的新值B。当且仅当预期值A和内存值V相等时，将内存值V修改为B，否则什么都不做。
因为CAS会在进行修改的时候对当前内存值进行检测，所以当有其他线程修改了变量值的时候，这个时候当前线程的修改就会失败，以此来保证了“读-修改-写”操作的原子性。
三. CAS使用
先来看下面的代码：
package io.github.brightloong.lab.concurrent.cas;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
/**
* NoUseCAS class
*
* @author BrightLoong
* @date 2018/6/10
*/
public class NoUseCAS {
private volatile int value = 0;
public void add() {
value++;
}
public int getValue() {
return value;
}
public static void main(String[] args) {
NoUseCAS noUseCAS = new NoUseCAS();
for (int i = 0; i < 10; i++) {
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(500);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
noUseCAS.add();
}
}).start();
}
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("最后结果：" + noUseCAS.getValue());
}
}
输出结果每次都可能不一样，而不是每次都输出10。通过volatile虽然保证了变量线程之间的可见性，但是并不能保证“++”操作的原子性，因为“++”操作是先获取到值，然后再执行“+”操作，找到NoUseCAS.class文件，执行javap -c NoUseCAS.class 得到字节码，找到“add()”方法的字节码如下：
public void add();
Code:
0: aload_0
1: dup
2: getfield #2 // Field value:I
5: iconst_1
6: iadd
7: putfield #2 // Field value:I
10: return
可以看到getfield获取当前的值，iadd执行加操作，putfield赋值，如果这个时候线程A在执行完getfield后，拿到值为2，同时有另一个线程B将值修改为3，这个时候线程A继续执行操作的话最后会返回结果3，这就和期望的值不一样了。
如何解决
可以使用AtomicInteger来解决上面的问题，它提供了getAndIncrement()方法来替代“++”操作，并且保证了该操作的原子性，
代码片段：
public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
private static final long serialVersionUID = 6214790243416807050L;
// setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updates
private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
private static final long valueOffset;
static {
try {
//变量内存偏移地址
valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
(AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
} catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}
//使用volatile修饰保证线程间的可见性。
private volatile int value;
//原子++操作，并调用unsafe.getAndAddInt
public final int getAndIncrement() {
return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
}
}
Unsafe.java中相关代码片段如下：
//使用了compareAndSwapInt()
public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
int var5;
do {
var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
} while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));
return var5;
}
//调用本地方法（native）
public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);
下面具体分析本地方法
三. CAS原理
在openjdk9中找到unsafe.cpp，其路径为：jdk9u/hotspot/src/share/vm/prims/unsafe.cpp
//定义compareAndSetInt为Unsafe_CompareAndSetInt
{CC "compareAndSetInt", CC "(" OBJ "J""I""I"")Z", FN_PTR(Unsafe_CompareAndSetInt)},
UNSAFE_ENTRY(jboolean, Unsafe_CompareAndSetInt(JNIEnv *env, jobject unsafe, jobject obj, jlong offset, jint e, jint x)) {
oop p = JNIHandles::resolve(obj);
//获取内存地址
jint* addr = (jint *)index_oop_from_field_offset_long(p, offset);
return (jint)(Atomic::cmpxchg(x, addr, e)) == e;
} UNSAFE_END
Atomic::cmpxchg在atomic.hpp中，文件路径为：jdk9u/hotspot/src/share/vm/runtime/atomic.hpp
inline unsigned Atomic::cmpxchg(unsigned int exchange_value,
volatile unsigned int* dest, unsigned int compare_value,
cmpxchg_memory_order order) {
assert(sizeof(unsigned int) == sizeof(jint), "more work to do");
return (unsigned int)Atomic::cmpxchg((jint)exchange_value, (volatile jint*)dest,
(jint)compare_value, order);
}
使用的是内联函数（inline）,会根据当前处理器的类型调用对应的内联函数，以下是windows_x86的实现。文件路径为：jdk9u/hotspot/src/os_cpu/windows_x86/vm/atomic_windows_x86.hpp
inline jint Atomic::cmpxchg (jint exchange_value, volatile jint* dest, jint compare_value, cmpxchg_memory_order order) {
// alternative for InterlockedCompareExchange
int mp = os::is_MP();
__asm {
mov edx, dest
mov ecx, exchange_value
mov eax, compare_value
LOCK_IF_MP(mp)
cmpxchg dword ptr [edx], ecx
}
}
-
LOCK_IF_MP(MP):判断前系统是否为多核处理器如果是则为cmpxchg指令添加lock前缀。
-
cmpxchg：使用cmpxchg指令
intel手册对lock前缀的说明如下(参考：https://www.jianshu.com/p/fb6e91b013cc)：
-
确保后续指令执行的原子性。
在Pentium及之前的处理器中，带有lock前缀的指令在执行期间会锁住总线，使得其它处理器暂时无法通过总线访问内存，很显然，这个开销很大。在新的处理器中，Intel使用缓存锁定来保证指令执行的原子性，缓存锁定将大大降低lock前缀指令的执行开销。
-
禁止该指令与前面和后面的读写指令重排序。
-
把写缓冲区的所有数据刷新到内存中。
CAS的ABA问题
CAS存在ABA的问题，如下图所示，线程A最开始获取的值A，到赋值前检查的时候依然是A，然后进行了赋值；但是线程A并不知道这期间有线程B将值更改为B，然后又有线程C将值改回A。
CAS
我们可以使用版本号来解决以上的问题，也就是上面的修改就会变成1A-1B-2A,就可以发现最开始是1A，但是比较的时候是2A，代表这期间被改动过。可以使用AtomicStampedReference解决ABA的问题，它就是使用版本号来标记变量来保证CAS的正确性。
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