【Java 并发编程】CAS 原理解析-Toy模板网

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了【Java 并发编程】CAS 原理解析。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方，请大家不吝赐教，您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

1. 什么是 CAS？

1.1 悲观锁与乐观锁

悲观锁的原理是每次实现数据库的增删改的时候都进⾏阻塞，防⽌数据发⽣脏读。

乐观锁的原理是在数据库更新的时候，⽤⼀个 version 字段来记录版本号，然后通过⽐较是不是⾃⼰要修改的版本号再进⾏修改。这其中就引出了⼀种⽐较交换的思路来实现数据的⼀致性，事实上，CAS 也是基于这样的原理。

1.2 CAS 是什么？

CAS 是指 Compare And Swap，比较并交换，是一种无锁原子算法，在不使用锁（没有线程被阻塞）的情况下实现多线程之间的变量同步。

JAVA 底层是 C++ 实现，映射到操作系统就是一条 cmpxchg 硬件汇编指令（保证原子性），其作用就是让 CPU 将内存值更新为新值，但是有个条件，内存值必须与期望值相同。并且 CAS 操作无需用户态与内核态切换，直接在用户态对内存进行读写操作（意味着不会阻塞/线程上下文切换）。

java.util.concurrent.atomic 包中的原子类就是通过 CAS 来实现了乐观锁。

CAS 算法涉及到三个操作数：

需要更新的内存变量值 V（volatile）；
上一次从内存中读取，进行比较的预期原值 E（except）；
要写入的新值 N（new）。

当且仅当 V 的值等于 E 时，CAS 通过原子方式用新值 N 来更新 V 的值（“比较 + 更新” 整体是一个原子操作），否则不会执行任何操作，这就是一次 CAS 的操作。一般情况下，“更新” 是一个不断重试的操作。

【Java 并发编程】CAS 原理解析
简单说，CAS 需要你额外给出一个期望值，也就是你认为这个变量现在应该是什么样子的，如果变量不是你想象的那样，说明它已经被别人修改过了，你只需要重新读取，设置新期望值，再次尝试修改就好了。

2. CAS 核心源码

java.util.concurrent.atomic 包中的原子类就是通过 CAS 思想来实现，CAS 思想实现靠的是 Unsafe 类。以 AtomicInteger 为例：

【Java 并发编程】CAS 原理解析

Unsafe 类是 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。

valueOffset 表示当前类对象中使用变量的偏移量，Unsafe 就是根据内存偏移地址获取数据的。

value 要修改的值，用 volatile 修饰，保证了多线程之间的内存可见性。

一起看一下 AtomicInteger.getAndIncrement() 方法是怎么替换内容的：

public final int getAndIncrement() {
	// 拿到当前对象和当前对象的地址，然后加一。
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
}

// var1 就是当前对象，var2 就是当前对象的内存地址，var4 就是要加的数
public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
	// 旧的预期值
    int var5;
    do {
        // 获得当前 var2 地址中的值，可以理解为从当前主物理内存中拷贝一份到自己的本地内存
        var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
    } 
	// 如果var1 = var5，执行var5 + var4，执行成功返回 true，跳出 while 循环，执行失败返回false，自旋
	while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));

    return var5;
}

UNSAFE_ENTRY(jboolean, Unsafe_CompareAndSetInt(JNIEnv *env, jobject unsafe, jobject obj, jlong offset, jint e, jint x)) {
  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