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摘要
本文從CAS的基本操作開始，逐步探究CAS的實現原理，本文涉及代碼使用JDK1.8版本；
CAS是什麼？
CAS是Compare And Swap (Compare And Exchange) 的簡稱，從因爲的意思也很容易理解：比較並交換。
- 先看一段代碼，兩個線程分別對atomicInteger加100，因爲AtomicInteger是可以保證++是原子操作的，所以最終輸出結果是：200
public class CasDemo {
public static void main(String[] args) {
AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);
new Thread(()->{
for (int i = 0; i < 100; i++) {
atomicInteger.incrementAndGet();
}
},"a").start();
new Thread(()->{
for (int i = 0; i < 100; i++) {
atomicInteger.incrementAndGet();
}
},"b").start();
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
log.info(atomicInteger.get());
}
}
CAS是如何實現的？
- AtomicInteger類
在AtomicInteger數據定義的部分，實際存儲的值是放在value中的，除此之外獲取了unsafe實例，並且定義了valueOffset。再看到static塊，根據加載過程，static塊的加載發生於類加載的時候，是最先初始化的，這時候調用unsafe的objectFieldOffset從Atomic類文件中獲取value的偏移量，那麼valueOffset其實就是記錄value的偏移量的。
public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
private static final long serialVersionUID = 6214790243416807050L;
// setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updates
private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
private static final long valueOffset;
static {
try {
valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
(AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
} catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}
private volatile int value;
...
}
- 再看一下incrementAndGet函數
- var5 = this.getIntVolatile(var1, var2); // 取出Object中偏移地址爲var2的值var5；
- this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4)比較var1中偏移量爲var2的值是否和var5相等？相等則更新爲var5 + var4；參數換個名字應該會清晰很多：compareAndSwapInt（obj, offset, expect, update）；
/**
* Atomically increments by one the current value.
*
* @return the updated value
*/
public final int incrementAndGet() {
return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
}
public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
int var5;
do {
// 取出Object中偏移地址爲var2的值var5；
var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
// 比較var1中偏移量爲var2的值是否和var5相等？相等則更新爲var5 + var4；
} while (!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));
return var5;
}
- 問題來了？比較並交換就是也是兩個步驟，怎麼能保證線程同步呢？
下載一下Hotspot源碼，看到compareAndSwapInt實現的源碼如圖所示，發現最終調用了Atomic::cmpxchg(x, addr, e)方法。
public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);
翻看源碼（如下面兩張圖所示）可以看到，不同的平臺有不同的實現方式；
- 在x86的架構下實現，是通過LOCK_IF_MP加鎖的方式實現
- os::is_MP判斷當前系統是否爲多核系統，如果是就給總線加鎖，所以同一芯片上的其他處理器就暫時不能通過總線訪問內存，保證了該指令在多處理器環境下的原子性。
- __asm__說明是ASM彙編，__volatile__禁止編譯器優化，
// Adding a lock prefix to an instruction on MP machine
#define LOCK_IF_MP(mp) "cmp $0, " #mp "; je 1f; lock; 1: "
在atomic.cpp中則是通過遞歸實現的；
因爲根據IA64手冊，X86_64架構下，不跨越cacheline的8byte讀寫是原子的，如果你有個指針，沒有跨越cacheline，那麼多線程對這個指針的複製和讀取都是不需要加鎖的，可以保證原子的讀到這8byte；
CAS存在的問題？
-
ABA的問題
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，但是如果一個值原來是A，變成了B，又變成了A，那麼使用CAS進行檢查時會發現它的值沒有發生變化，但是實際上卻變化了。這就是CAS的ABA問題。
常見的解決思路是使用版本號。在變量前面追加上版本號，每次變量更新的時候把版本號加一，那麼A-B-A 就會變成1A-2B-3A。
目前在JDK的atomic包裏提供了一個類AtomicStampedReference來解決ABA問題。這個類的compareAndSet方法作用是首先檢查當前引用是否等於預期引用，並且當前標誌是否等於預期標誌，如果全部相等，則以原子方式將該引用和該標誌的值設置爲給定的更新值。 -
循環時間長開銷大
如果CAS不成功，則會原地自旋，如果長時間自旋會給CPU帶來非常大的執行開銷。
