Compare And Swap底层原理及代码示例详解

概念

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。

代码使用

首先使用atomicinteger创建了一个实例，并初始化为5

// 创建一个原子类

atomicinteger atomicinteger= new atomicinteger(5)

然后调用cas方法，企图更新成2019，这里有两个参数，一个是5，表示期望值，第二个就是我们要更新的值

atomicinteger.compareandset(5,2019)

然后再次使用了一个方法，同样将值改为1024

atomicinteger.compareandset(5,1024)

完整代码如下：

public class casdemo {
  public static void main(string[] args) {
    // 创建一个原子类
    atomicinteger atomicinteger = new atomicinteger(5);

    /**
     * 一个是期望值，一个是更新值，但期望值和原来的值相同时，才能够更改
     * 假设三秒前，我拿的是5，也就是expect为5，然后我需要更新成 2019
     */
    system.out.println(atomicinteger.compareandset(5, 2019) + "\t current data: " + atomicinteger.get());

    system.out.println(atomicinteger.compareandset(5, 1024) + "\t current data: " + atomicinteger.get());
  }
}

上面代码的执行结果为：

这是因为我们执行第一个的时候，期望值和原本值是满足的，因此修改成功，但是第二次后，主内存的值已经改成了2019，不满足期望值，因此返回了false，本次写入失败

这个就类似于svn或者git的版本号，如果没有人更改过，就能够正常提交，否者需要先将代码pull下来，合并代码后，然后提交

cas底层原理

首先我们先看看atomicinteger.getandincrement()方法的源码

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

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

为什么atomic修饰的包装类，能够保证原子性，依靠的就是底层的unsafe类

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

从这里我们可以看到，通过valueoffset，直接通过内存地址，获取到值，然后进行加1操作

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）

• tomicinteger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
• 线程a通过getintvolatile(var1 , var2) 拿到value值3，这是线程a被挂起（该线程失去cpu执行权）
• 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
• 这是线程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
• 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，自我旋转底层汇编

unsafe类中的compareandswapint是一个本地方法，该方法的实现位于unsafe.cpp中

• 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

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？

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

以上就是本文的全部内容，希望对大家的学习有所帮助，也希望大家多多支持。