JUC面试（三）——CAS

CAS

CAS的全称是Compare-And-Swap它是CPU并发原语自旋锁

它的功能是判断内存某个位置的值是否为期望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应用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。

代码测试

首先调用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成1024

atomicInteger.compareAndSet(5, 1024)

完整代码如下

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

/**
 * CASDemo
 *
 * 比较并交换compareAndSet
 *
 * @author: wzq
 * @create: 2020-03-10-19:46
 */
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());
    }
}

结果

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修改成了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

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

1、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的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

2、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。

从这里我们能够看到通过valueOffset直接通过内存地址获取到值然后进行加1的操作

3、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

• val1AtomicInteger对象本身
• var2该对象值得引用的偏移地址
• var4需要变动的数量一般为1
• 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

1. AtomicInteger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
2. 线程A通过getIntVolatile(var1 , var2) 拿到value值3这时线程A被挂起该线程失去CPU执行权
3. 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
4. 这时线程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
5. 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缺点

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

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