Detailed CAS mechanism

1. Definitions

CAS is an abbreviation of the English word Compare and Swap, which translates to compare and replace.

2. The principle

• Uses three basic mechanisms operands CAS: memory address V, the expected value of the old A, to modify the new value of B.
  • Updating a variable, only when the actual value of the expected value of the variable A and V which memory addresses are the same, only the memory address corresponding to modify the value V B.

3. No real explanation CAS version number

1. Among the memory address V, it is stored in the variable value of 10.
      

2. At this time, the value of the variable thread 1 wants to increase the thread 1 1, the expected value of the old A = 10, to modify the new value B = 11.
   

3. 1 to submit before the thread updates, another thread 2 the first step, the memory address of the variable value V became the first to update 11.
   

4. Thread 1 begin submitting updated first address the actual values ​​of A and V of comparison and found that A is not equal to the actual value of V, submission failed.
   

5. Thread 1 reacquire the current value of V memory address, and re-calculate the new value you want to modify. At this time, thread 1 is, A = 11, B = 12 . This process is called re-try the spin .
   

6. This time lucky, no other thread change the value of V addresses. Thread 1 for the Compare , found that the actual values of A and V addresses are equal.
   

7. Thread 1 is the SWAP , the value of the address is replaced V as B, is 12.
   

• 从思想上来说，Synchronized属于悲观锁，悲观的认为程序中的并发情况严重，所以严防死守
• CAS属于乐观锁，乐观地认为程序中的并发情况不那么严重，所以让线程不断去重试更新。

4. CAS机制在Java中的应用

• 在Java中除了上面提到的Atomic系列类，还有Lock系列类的底层实现
• 在Java 1.6以上版本，Synchronized转变为重量级锁之前，也会采用CAS机制。

5. CAS的缺点

1. CPU开销过大

在并发量比较高的情况下，如果许多线程反复尝试更新某一个变量，却又一直更新不成功，循环往复，会给CPU带来很到的压力。

2. 不能保证代码块的原子性

• CAS机制保证的只有一个变量的原子性操作，而不能保证整个代码块的原子性。
  • 比如需要保证3个变量共同进行原子性的更新，就不得不使用Synchronized了。

3. ABA问题

这是CAS机制最大的问题所在。

6. JAVA中CAS的底层实现

1. AtomicInteger当中常用的自增方法incrementAndGet

public final int incrementAndGet() {

    for (;;) {
        int current = get();
        int next = current + 1;
        if (compareAndSet(current, next))
            return next;
    }

}

private volatile int value; 

public final int get() {

    return value;

}


这段代码是一个无限循环，也就是CAS的自旋，循环体中做了三件事：
1. 获取当前值
2. 当前值+1，计算出目标值
3. 进行CAS操作，如果成功则跳出循环，如果失败则重复上述步骤

• 这里需要注意的重点是get方法，这个方法的作用是获取变量的当前值。
• 如何保证获取的当前值是内存中的最新值？
  • 用volatile关键字来保证（保证线程间的可见性）。

2. compareAndSet方法的实现，以及方法所依赖对象的来历

public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
    return unsafe.cmpareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}

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); }
}

compareAndSet方法的实现很简单，只有一行代码。这里涉及到两个重要的对象，一个是unsafe，一个是valueOffset。

• 什么是unsafe呢？
  • Java语言不像C，C++那样可以直接访问底层操作系统，但是JVM为我们提供了一个后门，这个后门就是unsafe。unsafe为我们提供了硬件级别的原子操作。

至于valueOffset对象，是通过unsafe.objectFiledOffset方法得到，所代表的是AtomicInteger对象value成员变量在内存中的偏移量。我们可以简单的把valueOffset理解为value变量的内存地址。

我们上面说过，CAS机制中使用了3个基本操作数：内存地址V，旧的预期值A，要修改的新值B。

而unsafe的compareAndSwapInt方法的参数包括了这三个基本元素：valueOffset参数代表了V，expect参数代表了A，update参数代表了B。

正是unsafe的compareAndSwapInt方法保证了Compare和Swap操作之间的原子性操作。

7. CAS的ABA问题原理

1. 假设内存中有一个值为A的变量，存储在地址V中。
        

2. 此时有三个线程想使用CAS的方式更新这个变量的值，每个线程的执行时间有略微偏差。线程1和线程2已经获取当前值，线程3还未获取当前值。
   

3. 线程1先一步执行成功，把当前值成功从A更新为B；同时线程2因为某种原因被阻塞住，没有做更新操作；线程3在线程1更新之后，获取了当前值B。
   

4. 线程2仍然处于阻塞状态，线程3继续执行，成功把当前值从B更新成了A。
   

5. 线程2终于恢复了运行状态，由于阻塞之前已经获得了“当前值A”，并且经过compare检测，内存地址V中的实际值也是A，所以成功把变量值A更新成了B。
   

这个过程中，线程2获取到的变量值A是一个旧值，尽管和当前的实际值相同，但内存地址V中的变量已经经历了A->B->A的改变。

看起来这个例子没啥问题，但如果结合实际，就可以发现它的问题所在。

1. 我们假设一个提款机的例子。假设有一个遵循CAS原理的提款机，小灰有100元存款，要用这个提款机来提款50元。
   

2. 由于提款机硬件出了点问题，小灰的提款操作被同时提交了两次，开启了两个线程，两个线程都是获取当前值100元，要更新成50元。
   理想情况下，应该一个线程更新成功，一个线程更新失败，小灰的存款值被扣一次。
   

3. 线程1首先执行成功，把余额从100改成50.线程2因为某种原因阻塞。这时，小灰的妈妈刚好给小灰汇款50元。
   

4. 线程2仍然是阻塞状态，线程3执行成功，把余额从50改成了100。
   

5. 线程2恢复运行，由于阻塞之前获得了“当前值”100，并且经过compare检测，此时存款实际值也是100，所以会成功把变量值100更新成50。
   

原本线程2应当提交失败，小灰的正确余额应该保持100元，结果由于ABA问题提交成功了。

8. CAS中ABA问题解决方案

1. 添加版本号

真正要做到严谨的CAS机制，在compare阶段不仅要比较期望值A和地址V中的实际值，还要比较变量的版本号是否一致。

1. 假设地址V中存储着变量值A，当前版本号是01。线程1获取了当前值A和版本号01，想要更新为B，但是被阻塞了。
   

2. 这时候，内存地址V中变量发生了多次改变，版本号提升为03，但是变量值仍然是A。
   

3. 随后线程1恢复运行，进行compare操作。经过比较，线程1所获得的值和地址的实际值都是A，但是版本号不相等，所以这一次更新失败。
   

在Java中，AtomicStampedReference类就实现了用版本号作比较的CAS机制。

2. java语言CAS底层如何实现？

利用unsafe提供的原子性操作方法。

3. 什么是ABA问题？怎么解决？

• 当一个值从A变成B，又更新回A，普通CAS机制会误判通过检测。
  • 利用版本号比较可以有效解决ABA问题。

9. 参考

• 漫画：什么是 CAS 机制？
• Comic: What is CAS mechanism? (Advanced chapter)
• What is CAS mechanism?