美團一面：什麼是CAS？有什麼優缺點？我說我只用過AtomicInteger。。。。

码农Academy發表於2024-06-03

引言

傳統的併發控制手段，如使用synchronized關鍵字或者ReentrantLock等互斥鎖機制，雖然能夠有效防止資源的競爭衝突，但也可能帶來額外的效能開銷，如上下文切換、鎖競爭導致的執行緒阻塞等。而此時就出現了一種樂觀鎖的策略，以其非阻塞、輕量級的特點，在某些場合下能更好地提升併發效能，其中最為關鍵的技術便是Compare And Swap（簡稱CAS）。

關於synchronize的實現原理，請看移步這篇文章：美團一面：說說synchronized的實現原理？問麻了。。。。

關於synchronize的鎖升級，請移步這篇文章：京東二面：Sychronized的鎖升級過程是怎樣的？

CAS是一種無鎖演算法，它在硬體級別提供了原子性的條件更新操作，允許執行緒在不加鎖的情況下實現對共享變數的修改。在Java中，CAS機制被廣泛應用於java.util.concurrent.atomic包下的原子類以及高階併發工具類如AbstractQueuedSynchronizer（AQS）的實現中。

CAS的基本概念與原理

CAS是一種原子指令，常用於多執行緒環境中的無鎖演算法。CAS操作包含三個基本運算元：記憶體位置、期望值和新值。在執行CAS操作時，計算機會檢查記憶體位置當前是否存放著期望值，如果是，則將記憶體位置的值更新為新值；若不是，則不做任何修改，保持原有值不變，並返回當前記憶體位置的實際值。

在Java中，CAS機制被封裝在jdk.internal.misc.Unsafe類中，儘管這個類並不建議在普通應用程式中直接使用，但它是構建更高層次併發工具的基礎，例如java.util.concurrent.atomic包下的原子類如AtomicInteger、AtomicLong等。這些原子類透過JNI呼叫底層硬體提供的CAS指令，從而在Java層面上實現了無鎖併發操作。

這裡指的注意的是，在JDK1.9之前CAS機制被封裝在sun.misc.Unsafe類中，在JDK1.9之後就使用了
jdk.internal.misc.Unsafe。這點由java.util.concurrent.atomic包下的原子類可以看出來。而sun.misc.Unsafe被許多第三方庫所使用。

CAS實現原理

在Java中，雖然Java語言本身並未直接提供CAS這樣的原子指令，但是Java可以透過JNI呼叫本地方法來利用硬體級別的原子指令實現CAS操作。在Java的標準庫中，特別是jdk.internal.misc.Unsafe類提供了一系列compareAndSwapXXX方法，這些方法底層確實是透過C++編寫的內聯彙編來呼叫對應CPU架構的cmpxchg指令，從而實現原子性的比較和交換操作。

cmpxchg指令是多數現代CPU支援的原子指令，它能在多執行緒環境下確保一次比較和交換操作的原子性，有效解決了多執行緒環境下資料競爭的問題，避免了資料不一致的情況。例如，在更新一個共享變數時，如果期望值與當前值相匹配，則原子性地更新為新值，否則不進行更新操作，這樣就能在無鎖的情況下實現對共享資源的安全訪問。
我們以java.util.concurrent.atomic包下的AtomicInteger為例，分析其compareAndSet方法。

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 6214790243416807050L;

    //由這裡可以看出來，依賴jdk.internal.misc.Unsafe實現的
    private static final jdk.internal.misc.Unsafe U = jdk.internal.misc.Unsafe.getUnsafe();
    private static final long VALUE = U.objectFieldOffset(AtomicInteger.class, "value");

    private volatile int value;

	public final boolean compareAndSet(int expectedValue, int newValue) { 
	    // 呼叫 jdk.internal.misc.Unsafe的compareAndSetInt方法
	    return U.compareAndSetInt(this, VALUE, expectedValue, newValue);  
	}
}

Unsafe中的compareAndSetInt使用了@HotSpotIntrinsicCandidate註解修飾，@HotSpotIntrinsicCandidate註解是Java HotSpot虛擬機器（JVM）的一個特性註解，它表明標註的方法有可能會被HotSpot JVM識別為“內聯候選”，當JVM發現有方法被標記為內聯候選時，會嘗試利用底層硬體提供的原子指令（比如cmpxchg指令）直接替換掉原本的Java方法呼叫，從而在執行時獲得更好的效能。

public final class Unsafe {
	@HotSpotIntrinsicCandidate  
	public final native boolean compareAndSetInt(Object o, long offset,  
	                                             int expected,  
	                                             int x);
}

compareAndSetInt這個方法我們可以從openjdk的hotspot原始碼（位置：hotspot/src/share/vm/prims/unsafe.cpp）中可以找到：

{CC "compareAndSetObject",CC "(" OBJ "J" OBJ "" OBJ ")Z", FN_PTR(Unsafe_CompareAndSetObject)},

{CC "compareAndSetInt", CC "(" OBJ "J""I""I"")Z", FN_PTR(Unsafe_CompareAndSetInt)},

{CC "compareAndSetLong", CC "(" OBJ "J""J""J"")Z", FN_PTR(Unsafe_CompareAndSetLong)},

{CC "compareAndExchangeObject", CC "(" OBJ "J" OBJ "" OBJ ")" OBJ, FN_PTR(Unsafe_CompareAndExchangeObject)},

{CC "compareAndExchangeInt", CC "(" OBJ "J""I""I"")I", FN_PTR(Unsafe_CompareAndExchangeInt)},

{CC "compareAndExchangeLong", CC "(" OBJ "J""J""J"")J", FN_PTR(Unsafe_CompareAndExchangeLong)},

關於openjdk的原始碼，本文原始碼版本為1.9，如需要該版本原始碼或者其他版本下載方法，請關注本公眾號【碼農Academy】後，後臺回覆【openjdk】獲取

而hostspot中的Unsafe_CompareAndSetInt函式會統一呼叫Atomic的cmpxchg函式：

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);
// 統一呼叫Atomic的cmpxchg函式
return (jint)(Atomic::cmpxchg(x, addr, e)) == e;

} UNSAFE_END

而Atomic的cmpxchg函式原始碼(位置：hotspot/src/share/vm/runtime/atomic.hpp)如下：

/**
*這是按位元組大小進行的`cmpxchg`操作的預設實現。它使用按整數大小進行的`cmpxchg`來模擬按位元組大小進行的`cmpxchg`。不同的平臺可以透過定義自己的內聯定義以及定義`VM_HAS_SPECIALIZED_CMPXCHG_BYTE`來覆蓋這個預設實現。這將導致使用特定於平臺的實現而不是預設實現。
*  exchange_value：要交換的新值。
*  dest：指向目標位元組的指標。
*  compare_value：要比較的值。
*  order：記憶體順序。
*/
inline jbyte Atomic::cmpxchg(jbyte exchange_value, volatile jbyte* dest,
                             jbyte compare_value, cmpxchg_memory_order order) {
  STATIC_ASSERT(sizeof(jbyte) == 1);
  volatile jint* dest_int =
      static_cast<volatile jint*>(align_ptr_down(dest, sizeof(jint)));
  size_t offset = pointer_delta(dest, dest_int, 1);
  // 獲取當前整數大小的值，並將其轉換為位元組陣列。
  jint cur = *dest_int;
  jbyte* cur_as_bytes = reinterpret_cast<jbyte*>(&cur);

  // 設定當前整數中對應位元組的值為compare_value。這確保瞭如果初始的整數值不是我們要找的值，那麼第一次的cmpxchg操作會失敗。
  cur_as_bytes[offset] = compare_value;

  // 在迴圈中，不斷嘗試更新目標位元組的值。
  do {
    // new_val
    jint new_value = cur;
    // 複製當前整數值，並設定其中對應位元組的值為exchange_value。
    reinterpret_cast<jbyte*>(&new_value)[offset] = exchange_value;
	// 嘗試使用新的整數值替換目標整數。
    jint res = cmpxchg(new_value, dest_int, cur, order);
    if (res == cur) break; // 如果返回值與原始整數值相同，說明操作成功。

    // 更新當前整數值為cmpxchg操作的結果。
    cur = res;
    // 如果目標位元組的值仍然是我們之前設定的值，那麼繼續迴圈並再次嘗試。
  } while (cur_as_bytes[offset] == compare_value);
  // 返回更新後的位元組值
  return cur_as_bytes[offset];
}

而由cmpxchg函式中的do...while我們也可以看出，當多個執行緒同時嘗試更新同一記憶體位置，且它們的期望值相同但只有一個執行緒能夠成功更新時，其他執行緒的CAS操作會失敗。對於失敗的執行緒，常見的做法是採用自旋鎖的形式，即迴圈重試直到成功為止。這種方式在低競爭或短時間視窗內的併發更新時，相比於傳統的鎖機制，它避免了執行緒的阻塞和喚醒帶來的開銷，所以它的效能會更優。

Java中的CAS實現與API

在Java中，CAS操作的實現主要依賴於兩個關鍵元件：sun.misc.Unsafe類、jdk.internal.misc.Unsafe類以及java.util.concurrent.atomic包下的原子類。儘管Unsafe類提供了對底層硬體原子操作的直接訪問，但由於其API是非公開且不穩定的，所以在常規開發中並不推薦直接使用。Java標準庫提供了豐富的原子類，它們是基於Unsafe封裝的安全、便捷的CAS操作實現。

java.util.concurrent.atomic包

Java標準庫中的atomic包為開發者提供了許多原子類，如AtomicInteger、AtomicLong、AtomicReference等，它們均內建了CAS操作邏輯，使得我們可以在更高的抽象層級上進行無鎖併發程式設計。
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原子類中常見的CAS操作API包括：

  • compareAndSet(expectedValue, newValue)：嘗試將當前值與期望值進行比較，如果一致則將值更新為新值，返回是否更新成功的布林值。
  • getAndAdd(delta)：原子性地將當前值加上指定的delta值，並返回更新前的原始值。
  • getAndSet(newValue)：原子性地將當前值設定為新值，並返回更新前的原始值。

這些方法都是基於CAS原理，能夠在多執行緒環境下保證對變數的原子性修改，從而在不引入鎖的情況下實現高效的併發控制。

CAS的優缺點與適用場景

CAS摒棄了傳統的鎖機制，避免了因獲取和釋放鎖產生的上下文切換和執行緒阻塞，從而顯著提升了系統的併發效能。並且由於CAS操作是基於硬體層面的原子性保證，所以它不會出現死鎖問題，這對於複雜併發場景下的程式設計特別重要。另外，CAS策略下執行緒在無法成功更新變數時不需要掛起和喚醒，只需透過簡單的迴圈重試即可。

但是，在高併發條件下，頻繁的CAS操作可能導致大量的自旋重試，消耗大量的CPU資源。尤其是在競爭激烈的場景中，執行緒可能花費大量的時間在不斷地嘗試更新變數，而不是做有用的工作。這個由剛才cmpxchg函式可以看出。對於這個問題，我們可以參考synchronize中輕量級鎖經過自旋，超過一定閾值後升級為重量級鎖的原理，我們也可以給自旋設定一個次數，如果超過這個次數，就把執行緒掛起或者執行失敗。(自適應自旋)

另外，Java中的原子類也提供瞭解決辦法，比如LongAdder以及DoubleAdder等，LongAdder過分散競爭點來減少自旋鎖的衝突。它並沒有像AtomicLong那樣維護一個單一的共享變數，而是維護了一個Base值和一組Cell（桶）結構。每個Cell本質上也是一個可以進行原子操作的計數器，多個執行緒可以分別在一個獨立的Cell上進行累加，只有在必要時才將各個Cell的值彙總到Base中。這樣一來，大部分時候執行緒間的修改不再是集中在同一個變數上，從而降低了競爭強度，提高了併發效能。

image.png

  1. ABA問題：
    單純的CAS無法識別一個值被多次修改後又恢復原值的情況，可能導致錯誤的判斷。比如現在有三個執行緒：
    image.png
    即執行緒1將str從A改成了B，然後執行緒3將str又從B改成了A，而此時對於執行緒2來說，他就覺得這個值還是A，所以就不會在更改了。

而對於這個問題，其實也很好解決，我們給這個資料加上一個時間戳或者版本號（樂觀鎖概念）。即每次不僅比較值，還會比較版本。比如上述示例，初始時str的值的版本是1，然後執行緒2操作後值變成B，而對應版本變成了2，然後執行緒3操作後值變成了A，版本變成了3，而對於執行緒2來說，雖然值還是A，但是版本號變了，所以執行緒2依然會執行替換的操作。

Java的原子類就提供了類似的實現，如AtomicStampedReference和AtomicMarkableReference引入了附加的標記位或版本號，以便區分不同的修改序列。

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總結

Java中的CAS原理及其在併發程式設計中的應用是一項非常重要的技術。CAS利用CPU硬體提供的原子指令，實現了在無鎖環境下的高效併發控制，避免了傳統鎖機制帶來的上下文切換和執行緒阻塞開銷。Java透過JNI介面呼叫底層的CAS指令，封裝在jdk.internal.misc類和java.util.concurrent.atomic包下的原子類中，為我們提供了簡潔易用的API來實現無鎖程式設計。

CAS在帶來併發效能提升的同時，也可能引發迴圈開銷過大、ABA問題等問題。針對這些問題，Java提供瞭如LongAdder、AtomicStampedReference和AtomicMarkableReference等工具類來解決ABA問題，同時也透過自適應自旋、適時放棄自旋轉而進入阻塞等待等方式降低迴圈開銷。

理解和熟練掌握CAS原理及其在Java中的應用，有助於我們在開發高效能併發程式時作出更明智的選擇，既能提高系統併發效能，又能保證資料的正確性和一致性。

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