【Java】手把手理解CAS實現原理

boluo1230發表於2020-05-23
Java
  • 先來看看概念，【CAS】 全稱“CompareAndSwap”，中文翻譯即“比較並替換”。
定義：CAS操作包含三個運算元 —— 記憶體位置（V），期望值（A），和新值（B）。

如果記憶體位置的值與期望值匹配，那麼處理器會自動將該位置值更新為新值。否則，

處理器不作任何操作。無論哪種情況，它都會在CAS指令之前返回該位置的值。

（CAS在一些特殊情況下，僅返回CAS是否成功，而不提去當前值）CAS有效說明了

“我認為【位置V】應該包含【值A】：如果包含【值A】，則將【新值B】放到這個位置；

否則，不要更改該位置的值，只告訴我這個位置現在的值即可”。

 

 

  • 怎麼使用JDK提供CAS支援？

Java中提供了對CAS操作的支援，具體在【sun.misc.unsafe】類中（官方不建議直接使用）

    public final native boolean compareAndSwapObject(Object var1, long var2, Object var4, Object var5);

    public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);

    public final native boolean compareAndSwapLong(Object var1, long var2, long var4, long var6);

 

引數var1：表示要操作的物件 

引數var2：表示要操作物件中屬性地址的偏移量

引數var4：表示需要修改資料的期望的值

引數var5：表示需要修改為的新值

 

 

  • 此處描述一下偏移量的概念？

 

 這裡的偏移量就像我們【new】一個物件，物件的地址就是【0x001】，那麼value的地址就是【0x002 = 0x001 + 1】，

【+1】就是偏移量。

 

 

  • CAS的實現原理是什麼？
CAS通過呼叫JNI的程式碼實現（JNI：Java Native Interface），允許java呼叫其他語言，

而【compareAndSwapXXX】系列的方法就是藉助“C語言”來呼叫cpu底層指令實現的。

以常用的【Intel x86】平臺來說，最終對映到cpu的指令為【cmpxchg】（compareAndChange），

這是一個原子指令，cpu執行此命令時，實現比較替換操作。

 

 

  • 那麼問題來了，現在計算機動不動就上百核，【cmpxchg】怎麼保證多核下的執行緒安全？

系統底層進行CAS操作時，會判斷當前系統是否為多核系統，如果是，就給【匯流排】加鎖，

只有一個執行緒對匯流排加鎖成功， 加鎖成功之後會執行CAS操作，也就是說CAS的原子性是平臺級別的。

 

 

  • 那麼問題又來了，CAS這麼流批，就不會有什麼問題麼？
1》高併發下，其他執行緒會一直處於自旋阻塞狀態

2》ABA問題（重要）

 

 

 

  • 什麼是ABA問題呢？
CAS需要在操作值的時候，檢查下值有沒有發生變化，如果沒有發生變化則更新，

但是可能會有這樣一個情況，如果一個值原來是A，在CAS方法執行之前，被其他執行緒修改為了B，然後又修改回成A，

此時CAS方法執行之前，檢查的時候發現它的值並沒有發生變化，但實際卻變化了，這就是【CAS的ABA】問題。

 

 

 

  • 話不多說，我們這裡用程式碼來模擬一下ABA問題：
public class CasABADemo1 {

    private static AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("mainThread 當前count值為： " + count.get());
        Thread mainThread = new Thread(() -> {
            try {
                int expectCount = count.get();
                int updateCount = expectCount + 1;
                System.out.println("mainThread 期望值：" + expectCount + ", 修改值：" + updateCount);
                Thread.sleep(2000);//休眠2000s ，釋放cpu

                boolean result = count.compareAndSet(expectCount, updateCount);
                System.out.println("mainThread 修改count ： " + result);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }

        });

        Thread otherThread = new Thread(() -> {
            try {
                Thread.sleep(20);//確保主執行緒先獲取到cpu資源
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            count.incrementAndGet();
            System.out.println("其他執行緒先修改 count 為：" + count.get());
            count.decrementAndGet();
            System.out.println("其他執行緒又修改 count 為：" + count.get());
        });

        mainThread.start();
        otherThread.start();

    }

}

 

結果：
mainThread 當前count值為： 0
mainThread 期望值：0, 修改值：1
其他執行緒先修改 count 為：1
其他執行緒又修改 count 為：0
mainThread 修改count ： true

最後結果可以看出【mainThread】修改成功，但是【mainThread】獲取到的【expectCount】雖然也是1，但已經不是曾經的【expectCount】。

 

 

  • 如何解決ABA問題呢？
解決ABA最簡單的方案就是給值加一個版本號，每次值變化，都會修改他的版本號，

CAS操作時都去對比次版本號。

 

 

  • java中提供了一種版本號控制的方法，可以解決ABA問題：
    public boolean compareAndSet(V   expectedReference, V   newReference, int expectedStamp,  int newStamp)

 

 

 

  • 我們對上述程式碼改造一下，再看看結果：
public class CasABADemo2 {

    private static AtomicStampedReference<Integer> count = new AtomicStampedReference<>(0, 1);

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("mainThread 當前count值為： " + count.getReference() + ",版本號為：" + count.getStamp());
        Thread mainThread = new Thread(() -> {
            try {
                int expectStamp = count.getStamp();
                int updateStamp = expectStamp + 1;
                int expectCount = count.getReference();
                int updateCount = expectCount + 1;
                System.out.println("mainThread 期望值：" + expectCount + ", 修改值：" + updateCount);
                Thread.sleep(2000);//休眠2000s ，釋放cpu

                boolean result = count.compareAndSet(expectCount, updateCount, expectStamp, updateStamp);
                System.out.println("mainThread 修改count ： " + result);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }

        });

        Thread otherThread = new Thread(() -> {
            try {
                Thread.sleep(20);//確保主執行緒先獲取到cpu資源
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            count.compareAndSet(count.getReference(), count.getReference() + 1, count.getStamp(), count.getStamp() + 1);
            System.out.println("其他執行緒先修改 count 為：" + count.getReference() + " ，版本號：" + count.getStamp());
            count.compareAndSet(count.getReference(), count.getReference() - 1, count.getStamp(), count.getStamp() + 1);
            System.out.println("其他執行緒又修改 count 為：" + count.getReference() + " ，版本號：" + count.getStamp());
        });

        mainThread.start();
        otherThread.start();

    }

}

 

結果：
mainThread 當前count值為： 0,版本號為：1
mainThread 期望值：0, 修改值：1
其他執行緒先修改 count 為：1 ，版本號：2
其他執行緒又修改 count 為：0 ，版本號：3
mainThread 修改count ： false

可見新增版本號可以完美的解決ABA問題！

 

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