Java基础：CAS详解

问： １、知道CAS么？是如何实现的？
２、如果有一个共享整型变量n，比如说是票数，每一次卖出都需要减１，使用n–可以么？是否会存在问题？
答：
CAS的全称是Compare and swap， 它是一条CPU并发原语。

它的功能是判断内存某个位置的值是否是预期值，如果是就更改为最新的值，这个过程是原子的。

CAS并发原语体现在JAVA语言就是sun.misc.Unsafe类中的各个方法。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。

CAS的作用之一，比如可以处理上一篇博文中volatile不保证原子性的问题，可以解决单个共享变量在多线程环境下n++的问题。

要想理解CAS的作用，首选要充分理解volatile的作用，不清楚的话，可以先看下这篇博文（Java基础：volatile详解），然后再来理解CAS，不然可能会有点看不懂，因为有些概念，在本文中就不再重复赘述了。

1、CAS详解

之前介绍了，volatile不保证原子性，因此多线程在执行n++操作时，存在问题，解决方法之一是使用AtomicInteger类来进行处理，接下来就来分析为什么使用AtomicInteger类就可以解决该问题。

1.1 理解AtomicInteger类的compareAndSet方法

首先查看AtomicInteger类的compareAndSet方法。还是以买票进行举例，初始票数为10，两个线程同时买票，假设线程１先买到票，线程２后买到票。

运行结果如下图。可以看到线程２返回的是false，也就是未成功买到票。

package com.koping.test;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class CasDemo {
    
    
    public static void main(String[] args) {
    
    
        AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(10);

        // 业务逻辑：n行代码

        // 线程１，抢到票就将票数减１
        System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(10, 9) + "\t 现在票数为：　" + atomicInteger.get());

        // 线程２，抢到票就将票数减１
        System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(10, 9) + "\t 现在票数为：　" + atomicInteger.get());
    }
}

通过上面的例子，再结合下面compareAndSet方法的调用关系，可以很好的理解。该方法就是判断该对象当前的值是否和expectedValue相等？
如果相等，就将当前对象的值设置为newValue，并返回true；
如果不相等，则返回false；

1.2 理解AtomicInteger类的getAndIncrement方法

接着再来分析，为什么使用AtomicInteger类的getAndIncrement方法，就可以在多线程情况下替换n++，并且不会存在原子性问题。

我们可以看下getAndIncrement方法的源码。
１、在183行，调用了Unsafe类的getAndAddInt方法：U.getAndAddInt(this, VALUE, 1);
　　1.1 在unsafe类的getAndAddInt方法中，首先根据当前对象和偏移量获取目前主内存上最新的
　　　　值，然后调用compareAndSetInt方法来判断是否成功修改值？
　　　　如果成功加１，就跳出循环；
　　　　如果不成功，就再进入循环，重新获取主内存的最新值，然后再次进行判断。

到这里，优先要先充分理解下什么是Unsafe类，这个非常重要！

１、Unsafe类是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。但是Unsafe类却可以直接操作特定内存的数据。

Unsafe类存在与sun.misc包中，该类中的所有方法都是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任务。

２、getAndAddInt方法中的offset，表示该变量值在内存中的偏移地址，而Unsafe类就是根据内存偏移地址获取数据的。
３、AtomicInteger类的value值用volatile修饰了，因此保证了多线程之间的可见性。

４、CAS的全称是Compare and swap，它是一条CPU并发原语。
它的功能是判断内存某个位置的值是否是预期值，如果是就更改为最新的值，这个过程是原子的。

CAS并发原语体现在JAVA语言就是sun.misc.Unsafe类中的各个方法。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。

由于CAS是一种系统原语，原语属于操作系统用于范畴，是由若干条指令组成的，用户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。因此CAS是一条CPU原子指令，不会造成所谓的数据不一致问题。

1.3 使用AtomicInteger类替代n++的分析

结合1.2中对AtomicInteger类的getAndIncrement方法的分析，现在应该就很好理解，为什么多线程情况下，可以使用AtomicInteger类的getAndIncrement方法来替代n++了。

因为getAndIncrement方法会调用Unsafe类的CAS方法，而该方法是一个CPU原子指令，不会被中断，因此多线程情况下，能保证n++后的结果一定正确。因此可以解决volatile不保证原子性的问题。

同时再查看getAndAddInt方法，可以看到，它是在循环中先获取主内存中该对象最新的值，然后通过CAS来保证替换的值和之前一致，也就是说是当前线程之前替换和写回主内存。

如果失败了，说明其他线程已经修改了该对象的值，那么就需要重新获取然后然后再写回主内存。

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2、CAS的缺点

CAS的缺点主要有３个：
１）循环时间长，开销很大。可能线程１每次要执行CAS操作时，发现值都修改了，然后一直在循环里。
２）只能保证一个共享变量的原子操作。如果有多个共享变量的操作的话，最终还是要用synchronized。
３）ABA问题。
比如该对象初始值是５
１）线程１准备将值要改为６
２）此时线程２抢占到了CPU，将值改为了８
３）接着线程３抢占到了CPU，又将值改为了6
此时线程１终于抢占到了CPU，然后使用CAS发现原始值和当前值都是６，就可以执行操作。但是实际是在这个过程中，其他线程都进行了操作，可能存在逻辑上的其他异常，这就是ABA问题。