前言
CAS（Compare and Swap），即比较并替换，实现并发算法时常用到的一种技术，java同步器中大量使用了CAS技术，实现了多线程执行的安全性。
CAS的思想：三个参数，一个当前内存值V、旧的预期值A、即将更新的值B，当且仅当预期值A和内存值V相同时，将内存值修改为B并返回true，否则什么都不做，并返回false
public class Case {
public volatile int n;
public void add() {
n++;
}
}
通过javap -verbose Case看看add方法的字节码指令
public void add();
descriptor: ()V
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=3, locals=1, args_size=1
0: aload_0
1: dup
2: getfield #2 // Field n:I
5: iconst_1
6: iadd
7: putfield #2 // Field n:I
10: return
LineNumberTable:
line 6: 0
line 7: 10
}
n++被拆分成了几个指令：
- 执行getfield拿到原始n；
- 执行iadd进行加1操作；
- 执行putfield写把累加后的值写回n；
通过volatile修饰的变量可以保证线程之间的可见性，但并不能保证这3个指令的原子执行，在多线程并发执行下，无法做到线程安全，得到正确的结果，那么应该如何解决呢？
如何解决
- 在add方法加上synchronized修饰解决
public class Case {
public volatile int n;
public synchronized void add() {
n++;
}
}
这个方案当然可行，但是性能上差了点
看一段代码
public int a = 1;
public boolean compareAndSwapInt(int b) {
if (a == 1) {
a = b;
return true;
}
return false;
}
对应字节码指令如下
public boolean compareAndSwapInt(int);
descriptor: (I)Z
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=2, locals=2, args_size=2
0: aload_0
1: getfield #2 // Field a:I
4: iconst_1
5: if_icmpne 15
8: aload_0
9: iload_1
10: putfield #2 // Field a:I
13: iconst_1
14: ireturn
15: iconst_0
16: ireturn
LineNumberTable:
line 11: 0
line 12: 8
line 13: 13
line 15: 15
StackMapTable: number_of_entries = 1
frame_type = 15 /* same */
如果这段代码在并发下执行，会发生什么？
假设线程1和线程2都过了a==1的检测，都准备执行对a进行赋值，结果就是两个线程同时修改了变量a，显然这种结果是无法符合预期的，无法确定a的最终值。
解决方法也同样暴力，在compareAndSwapInt方法加锁同步，变成一个原子操作，同一时刻只有一个线程才能修改变量a。
除了低性能的加锁方案，我们还可以使用JDK自带的CAS方案，在CAS中，比较和替换是一组原子操作，不会被外部打断，且在性能上更占有优势。
下面以AtomicInteger的实现为例，分析一下CAS是如何实现的
public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
// setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updates
private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
private static final long valueOffset;
static {
try {
valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
(AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
} catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}
private volatile int value;
public final int get() {return value;}
}
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内存的数据
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。
变量value用volatile修饰，保证了多线程之间的内存可见性
看看AtomicInteger如何实现并发下的累加操作：
public final int getAndAdd(int delta) {
return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta);
}
//unsafe.getAndAddInt
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;
}
-
假设线程A和线程B同时执行
getAndAdd操作（分别跑在不同CPU上）：
AtomicInteger里面的value原始值为3，即主内存中AtomicInteger的value为3，根据Java内存模型，线程A和线程B各自持有一份value的副本，值为3 -
线程A通过
getIntVolatile(var1, var2)拿到value值3，这时线程A被挂起。 -
线程B也通过
getIntVolatile(var1, var2)方法获取到value值3，运气好，线程B没有被挂起，并执行compareAndSwapInt方法比较内存值也为3，成功修改内存值为2 -
这时线程A恢复，执行
compareAndSwapInt方法比较，发现自己手里的值(3)和内存的值(2)不一致，说明该值已经被其它线程提前修改过了，那只能重新来一遍了。 -
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总是能够看到，线程A继续执行compareAndSwapInt进行比较替换，直到成功
整个过程中，利用CAS保证了对于value的修改的并发安全，继续深入看看Unsafe类中的compareAndSwapInt方法实现
UNSAFE_ENTRY(jboolean, Unsafe_CompareAndSwapInt(JNIEnv *env, jobject unsafe, jobject obj, jlong offset, jint e, jint x))
UnsafeWrapper("Unsafe_CompareAndSwapInt");
oop p = JNIHandles::resolve(obj);
jint* addr = (jint *) index_oop_from_field_offset_long(p, offset);
return (jint)(Atomic::cmpxchg(x, addr, e)) == e;
UNSAFE_END
-
先想办法拿到变量value在内存中的地址。
-
通过
Atomic::cmpxchg实现比较替换，其中参数x是即将更新的值，参数e是原内存的值 -
intel手册对lock前缀的说明如下：
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。
2.禁止该指令与前面和后面的读写指令重排序。
3.把写缓冲区的所有数据刷新到内存中。
上面的第2点和第3点所具有的内存屏障效果，保证了CAS同时具有volatile读和volatile写的内存语义
CAS缺点
CAS存在一个很明显的问题，即ABA问题
问题：如果变量V初次读取的时候是A，并且在准备赋值的时候检查到它仍然是A，那能说明它的值没有被其他线程修改过了吗？
如果在这段期间曾经被改成B，然后又改回A，那CAS操作就会误认为它从来没有被修改过。针对这种情况，java并发包中提供了一个带有标记的原子引用类AtomicStampedReference，它可以通过控制变量值的版本来保证CAS的正确性`
转自
深入浅出CAS
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