Java并发16：CAS原理

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学习MOOC视频记录的笔记

1.什么是CAS

运用场合：并发；全称：Compare And Swap

我认为V的值应该是A，如果是的话那我就把它改成B,如果不是A（说明被别人修改过了），那我就不修改了，避免多人同时修改导致出错

CAS有三个操作数：内存值V、预期值A、要修改的值B，当且仅当预期值A和内存值V相同时，才将内存值修改为B，否则什么都不做。最后返回现在的V值

• CPU的特殊指令
• CAS的等价代码（语义）

/**
* 模拟CAS操作，等价代码
*/
public class SimulatedCAS {
    private volatile int value;
 
    public synchronized int compareAndSwap(int expectedValue, int newValue) {
        int oldValue = value;
        if (oldValue == expectedValue) {
            value = newValue;
        }
        return oldValue;
    }
}

2.案例演示

案例演示

• 两个线程竞争，其中一个落败

public class TwoThreadsCompetition implements Runnable {
    private volatile int value;
 
    public synchronized int compareAndSwap(int expectedValue, int newValue) {
        int oldValue = value;
        if (oldValue == expectedValue) {
            value = newValue;
        }
        return oldValue;
    }
 
    @Override
    public void run() {
        compareAndSwap(0, 1);
    }
 
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        TwoThreadsCompetition r = new TwoThreadsCompetition();
        r.value = 0;
        Thread t1 = new Thread(r, "Thread 1");
        Thread t2 = new Thread(r, "Thread 2");
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println(r.value);
    }
}

3.应用场景

• 乐观锁
• 并发容器
• 原子类

4.以AtomicInteger为例，分析在Java中是如何利用CAS实现原子操作的？

• AtomicInteger加载 Unsafe 工具，用来直接操作内存数据
• 用Unsafe来实现底层操作
• 用volatile修饰value字段，保证可见性
• getAndAddInt方法分析

static {
    try {
        valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
            (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
    } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}
 
private volatile int value;
 
 
public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
    int var5;
    // 自旋
    do {
        var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
    } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));
 
    return var5;
}

Unsafe是CAS的核心类。Java无法直接访问底层操作系统而是通过本地(native)方法来访问。不过尽管如此，JVM还是开了一个后门，JDK中有一个类Unsafe，它提供了硬件级别 的原子操作

valueOffset表示的是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原值的，这样我们就能通过unsafe来实现CAS了

Unsafe类中的compareAndSwapInt

Java中是如何利用CAS实现原子操作的？

Unsafe类中的compareAndSwapInt方法

• 方法中先想办法拿到变量value在内存中的地址
• 通过Atomic:cmpxchg实现原子性的比较和替换，其中参数x是即将更新的值，参数是原内存的值。至此，最终完成了CAS的全过程。

5.缺点

ABA问题

• 乐观锁解决思路：加一个版本号

自旋时间过长