【JavaEE初阶系列】——CAS

目录

🎈什么是 CAS

📝CAS 伪代码 

🎈CAS 是怎么实现的

🎈CAS 有哪些应用

🚩实现原子类

🌈伪代码实现:

🚩实现自旋锁

🌈自旋锁伪代码

🎈CAS 的 ABA 问题

🚩什么是 ABA 问题

🚩ABA 问题引来的 BUG

🎈CAS相关面试题

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🎈什么是 CAS

CAS: 全称 Compare and swap ，字面意思 :” 比较并交换 “ ，一个 CAS 涉及到以下操作:

我们假设内存中的原数据V，旧的预期值A，需要修改的新值B。

• 1. 比较 A 与 V 是否相等。（比较）
• 2. 如果比较相等，将 B 写入 V。（交换）
• 3. 返回操作是否成功。

CAS 比较交换的是 内存 和 寄存器。比如有一个内存M，现在有俩个寄存器A，B.

CAS(M,A,B）如果M和A的值相同的话，就把M和B的值交换，同时整个操作返回true.

                     如果M和A的值不同的话，无事发生，同时整个操作返回false.

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📝CAS 伪代码 

伪代码 ，代码是不能真正编译执行（不符合语法要求) 认识到逻辑是啥样的。

下面写的代码不是原子的, 真实的 CAS 是一个原子的硬件指令完成的. 这个伪代码只是辅助理解

CAS 的工作流程.

boolean CAS(address, expectValue, swapValue) {
if (&address == expectedValue) {&address = swapValue;return true;}return false;
}

两种典型的不是 "原子性" 的代码

• 1. check and set (if 判定然后设定值) [上面的 CAS 伪代码就是这种形式]
• 2. read and update (i++) [之前我们讲线程安全的代码例子是这种形式]

当多个线程同时对某个资源进行 CAS 操作，只能有一个线程操作成功，但是并不会阻塞其他线程 , 其他线程只会收到操作失败的信号。

CAS 可以视为是一种乐观锁. (或者可以理解成 CAS 是乐观锁的一种实现方式)

CAS其实是一个cpu指令（一个cpu指令，就能完成上述比较交换的逻辑）单个cpu指令，是原子的！就可以使用CAS完成一些操作，进一步的替代"加锁"。——这样就给编写线程安全的代码，引入了新的思路。

基于CAS实现线程安全的方式，也称为"无锁编程",

• 优点：保证线程安全，同时避免阻塞(效率）
• 缺点：代码会更复杂，不好理解，只能够适合一些特定的场景，不如加锁方式更普实。

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🎈CAS 是怎么实现的

CAS本质上是cpu提供的指令——》又被操作系统封装，提供成api，然后又被JVM，也提供成api——》程序员就可以使用了。

针对不同的操作系统， JVM 用到了不同的 CAS 实现原理，简单来讲：

• java 的 CAS 利用的的是 unsafe 这个类提供的 CAS 操作；
• unsafe 的 CAS 依赖了的是 jvm 针对不同的操作系统实现的 Atomic::cmpxchg；
• Atomic::cmpxchg 的实现使用了汇编的 CAS 操作，并使用 cpu 硬件提供的 lock 机制保证其原子性。

简而言之，是因为 硬件予以了支持，软件层面才能做到。

等到后面会更加能理解。

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🎈CAS 有哪些应用

🚩实现原子类

int 进行++，不是原子的（load，add，save)三步骤。

AtomicInteger,基于CAS的方式对int进行封装，此时进行++，就是原子的了。（++操作是基于CAS指令实现的）

标准库中提供了 java.util.concurrent.atomic 包, 里面的类都是基于这种方式来实现的.

典型的就是 AtomicInteger 类. 其中的 getAndIncrement 相当于 i++ 操作.

在java中，有些操作是偏底层的操作，偏底层的操作在使用的时候有更多的注意事项，稍有不慎就容易写出问题。这些操作，就会放到unsafe中进行归类。

unsafe代表有更多的注意事项，稍有不慎就写错。（就比如在导航的时候，遇到事故多发地方就会提醒警告信息）

我们看到原子类内部没有使用synchronized加锁使用。

native是本地方法，compareAndSwapInt比较和交换，JVM源码中，使用c++实现逻辑，底层的操作。

从上面流程我们可以看到，CAS中cpu指令 ，先是通过系统进行封装，提供了api(getAndSetInt),然后JVM进行封装提供api（compareAndSwapInt）。而原子类是基于CAS实现的。

• 原子类里面基于CAS实现的。                                                                                          通过利用指令原子性逻辑获取锁实现原子性操作。

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🌈伪代码实现:

class AtomicInteger {private int value;public int getAndIncrement() {int oldValue = value;while ( CAS(value, oldValue, oldValue+1) != true) {oldValue = value;}return oldValue;}
}

初始情况下，value的值是0，俩次自增结果是2.

如果俩者相等，就返回true,并且让oldValue+1赋值给value，让value+1，如果不相等就得让value赋值给oldvalue，然后进行++操作。

所以我们之前所说的”线程不安全“本质上是进行自增的过程中，穿插执行了。

CAS也是让这里的自增，不要穿插执行，核心思路和加锁是类似的，加锁是通过阻塞的方式，避免穿插，CAS则是会通过重试的方式，避免穿插。

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🚩实现自旋锁

基于 CAS 实现更灵活的锁 , 获取到更多的控制权 .

🌈自旋锁伪代码

public class SpinLock {private Thread owner = null;public void lock(){// 通过 CAS 看当前锁是否被某个线程持有. // 如果这个锁已经被别的线程持有, 那么就自旋等待. // 如果这个锁没有被别的线程持有, 那么就把 owner 设为当前尝试加锁的线程. while(!CAS(this.owner, null, Thread.currentThread())){}}public void unlock (){this.owner = null;}
}

记录当前这个锁被哪个线程获取到了，如果是null，表示未加锁状态。

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🎈CAS 的 ABA 问题

🚩什么是 ABA 问题

ABA 的关键问题 : 是通过值"没有发生改变"来作为”没有其他线程穿插执行“判定依据。

但是这种判定方式不够严谨，更极端的情况下，可能有另一个线程穿插进来，把值从A->B->A,针对第一个线程来说，看起来好像是这个值，没变，实际上已经被穿插执行了。

比如，买个手机，买到的是一个”二手的，翻新的设备“。翻新机，也不是不能用，里面可能会有一些暗伤。

ABA问题如果真的出现了，其实大部分情况下是不会产生bug的，就相当于买到二手设备，也是能用的，虽然另一个线程穿插执行了，由于值又改回来了，此时逻辑上也不一定会产生bug。

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🚩ABA 问题引来的 BUG

假设这个场景，我去ATM取钱，我本身的账户1000，我想要取500，我再取钱的过程中，出现bug了，我按下取钱按钮的时候，没反应，又按了一下，此时就产生了俩个线程进行扣款操作。

由于t3线程正好又在这个节骨眼上转来了500，与时我的余额又是1000了，就会导致t1线程也能扣款。此时我预期取500，实际上扣了1000.

大部分情况下ABA问题其实没啥大事，但是有一些极端情况，会使ABA出现bug，只要让判定的数值，按照一个方向增长即可。有增有减，就可能出现ABA，只是增加，或者只是减少，针对像账户余额这样概念，本身就应该要能增有减，可以引入一个额外的变量，版本号，约定每次修改余额就让版本号自增，此时在使用CAS判定的时候，就不是直接判定余额了，而是判定版本号，看版本号是否是变化了，如果版本号不变，注定没有线程穿插了执行。

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🎈相关面试题

1) 讲解下你自己理解的 CAS 机制

compareAndSwap 比较并且交换，相当于一个原子操作，同时完成 ， "读取内存, 比

较是否相等, 修改内存" 这三个步骤. 本质上需要 CPU 指令的支撑。通过利用指令的原子性从而避免获取锁实现了原子性操作。

2) ABA问题怎么解决？

给要修改的变量添加一个版本号，在 CAS 比较数据当前值和旧值的同时, 也要比较版本号是否符合预期.如果发现当前版本号和之前读到的版本号一致, 就真正执行修改操作, 并让版本号自增; 如果发现当前版本号比之前读到的版本号大, 就认为操作失败

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难道父母眼里只有学习学习嘛？？