JAVA中的CAS

一、cas概念与原理

　　cas，全称compare and swap（比较与交换），解决多线程并行情况下使用锁造成性能损耗的一种机制。

　　实现思想 cas（v, a, b），v为内存地址、a为预期原值，b为新值。如果内存地址的值与预期原值相匹配，那么将该位置值更新为新值。否则，说明已经被其他线程更新，处理器不做任何操作；无论哪种情况，它都会在 cas 指令之前返回该位置的值。而我们可以使用自旋锁，循环cas，重新读取该变量再尝试再次修改该变量，也可以放弃操作。

　　cas操作由处理器提供支持，是一种原语。原语是操作系统或计算机网络用语范畴。是由若干条指令组成的，用于完成一定功能的一个过程，具有不可分割性，即原语的执行必须是连续的，在执行过程中不允许被中断。如 intel 处理器，比较并交换通过指令的 cmpxchg 系列实现。处理器相关指令不做过多介绍，有兴趣的可自行查阅资料。

 

二、jdk1.8 中的cas

　　unsafe类，在sun.misc包下，不属于java标准。unsafe类提供一系列增加java语言能力的操作，如内存管理、操作类/对象/变量、多线程同步等。其中与cas相关的方法有以下几个：

//var1为cas操作的对象，offset为var1某个属性的地址偏移值，expected为期望值，var2为要设置的值，利用jni来完成cpu指令的操作
public final native boolean compareandswapobject(object var1, long offset, object expected, object var2);
public final native boolean compareandswapint(object var1, long offset, int expected, int var2);
public final native boolean compareandswaplong(object var1, long offset, long expected, long var2);

　　

    /** 如果cas成功，return oldvalue, oldvalue =  oldvalue + addvalue
     *  如果cas失败，自旋，一直运行，直到成功为止
     */
    public final xxx getandaddxxx(object var1, long offset, long addvalue) {
        int oldvalue;
        do {
            oldvalue = this.getintvolatile(var1, offset);
        } while(!this.compareandswapint(var1, offset, oldvalue, oldvalue + addvalue));

        return oldvalue;
    }

    /** 如果cas成功，return oldvalue, oldvalue =  newvalue
     *  如果cas失败，自旋，一直运行，直到成功为止
     */
    public final xxx getandsetxxx(object var1, long offset, object newvalue) {
        int oldvalue;
        do {
            oldvalue = this.getxxxvolatile(var1, offset);
        } while(!this.compareandswapxxx(var1, offset, oldvalue, newvalue));

        return oldvalue;
    }

　　一般不建议使用unsafe类，除非对它有很深入的了解。

　　

　　java.util.concurrent包中大量使用了cas原理，如atomicinteger类，都是调用上面几个unsafe方法保证多线程数据的正确性

　　以下是atomicinteger的cas操作相关源码

  1 public class atomicinteger extends number implements java.io.serializable {
  2     private static final long serialversionuid = 6214790243416807050l;
  3 
  4     // setup to use unsafe.compareandswapint for updates
  5     // unsafe类，提供一系列增强java的功能，如内存管理、操作类/对象/变量、多线程同步等。不建议开发者调用
  6     private static final unsafe unsafe = unsafe.getunsafe();
  7     // 获取对象某个属性的地址偏移值
  8     private static final long valueoffset;
  9 
 10     static {
 11         try {
 12             // value相对“起始地址”的偏移量
 13             valueoffset = unsafe.objectfieldoffset
 14                     (atomicinteger.class.getdeclaredfield("value"));
 15         } catch (exception ex) { throw new error(ex); }
 16     }
 17 
 18     // value值， volatile修饰，保证不同线程间的可见性
 19     private volatile int value;
 20     public atomicinteger(int initialvalue) { value = initialvalue; }
 21     public atomicinteger() {}
 22 
 23     public final int get() { return value; }
 24     public final void set(int newvalue) { value = newvalue; }
 25 
 26     /**
 27      * eventually sets to the given value.
 28      *
 29      * @param newvalue the new value
 30      * @since 1.6
 31      */
 32     public final void lazyset(int newvalue) {
 33         //有序或者有延迟的putintvolatile方法
 34         unsafe.putorderedint(this, valueoffset, newvalue);
 35     }
 36 
 37     /**
 38      * atomically sets to the given value and returns the old value.
 39      * @param newvalue the new value
 40      * @return the previous value
 41      */
 42     public final int getandset(int newvalue) {
 43         return unsafe.getandsetint(this, valueoffset, newvalue);
 44     }
 45 
 46     /**
 47      * atomically sets the value to the given updated value
 48      * if the current value {@code ==} the expected value.
 49      * @param expect the expected value
 50      * @param update the new value
 51      * @return {@code true} if successful. false return indicates that
 52      * the actual value was not equal to the expected value.
 53      */
 54     public final boolean compareandset(int expect, int update) {
 55         // jni调用，实现cas
 56         return unsafe.compareandswapint(this, valueoffset, expect, update);
 57     }
 58 
 59     /**
 60      * i++ 操作
 61      * atomically increments by one the current value.
 62      * @return the previous value
 63      */
 64     public final int getandincrement() {
 65         return unsafe.getandaddint(this, valueoffset, 1);
 66     }
 67 
 68     /**
 69      * i-- 操作
 70      * atomically decrements by one the current value.
 71      * @return the previous value
 72      */
 73     public final int getanddecrement() {
 74         return unsafe.getandaddint(this, valueoffset, -1);
 75     }
 76 
 77     /**
 78      * return i, i = i + n 操作
 79      * atomically adds the given value to the current value.
 80      * @param delta the value to add
 81      * @return the previous value
 82      */
 83     public final int getandadd(int delta) {
 84         return unsafe.getandaddint(this, valueoffset, delta);
 85     }
 86 
 87     /**
 88      * ++i 操作
 89      * atomically increments by one the current value.
 90      * @return the updated value
 91      */
 92     public final int incrementandget() {
 93         return unsafe.getandaddint(this, valueoffset, 1) + 1;
 94     }
 95 
 96     /**
 97      * --i 操作
 98      * atomically decrements by one the current value.
 99      * @return the updated value
100      */
101     public final int decrementandget() {
102         return unsafe.getandaddint(this, valueoffset, -1) - 1;
103     }
104 
105     /**
106      * i = i + n ,return i操作
107      * atomically adds the given value to the current value.
108      * @param delta the value to add
109      * @return the updated value
110      */
111     public final int addandget(int delta) {
112         return unsafe.getandaddint(this, valueoffset, delta) + delta;
113     }
114     // 其余函数，略...
115

　　

三、cas缺点

　　cas有几个缺点：

　　1、aba问题。当第一个线程执行cas操作，尚未修改为新值之前，内存中的值已经被其他线程连续修改了两次，使得变量值经历 a -> b -> a的过程。

　　解决方案：添加版本号作为标识，每次修改变量值时，对应增加版本号； 做cas操作前需要校验版本号。jdk1.5之后，新增atomicstampedreference类来处理这种情况。

　　2、循环时间长开销大。如果有很多个线程并发，cas自旋可能会长时间不成功，会增大cpu的执行开销。

　　3、只能对一个变量进原子操作。jdk1.5之后，新增atomicreference类来处理这种情况，可以将多个变量放到一个对象中。