CAS 比较并交换

简介

CAS 的全称为 Compare-And-Swap，他是一条 CPU 并发源语。

他的功能是判断内存某个位置的值是否为预期值，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。再次强调，由于CAS是一种系统原语，原语属于操作系统用语范畴，是由若干条指令组成的，用于完成某个功能的一个过程，并且原语执行必须是连续的，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问题。

代码演示

public class CASDemo {

    public static void main(String[] args) {
        AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(5);

        System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(5, 2022) + "=====" + atomicInteger.get());
        System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(5, 2014) + "=====" + atomicInteger.get());
    }

}

原理讲解

CAS 就是基于 unsafe 类去实现的，底层汇编。

源码解析

截取了 AtomicInteger 类中的部分代码

    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;

	/**
     * Atomically increments by one the current value.
     * this：当前对象
	 * valueOffset：内存偏移量
     * @return the previous value
     */
	public final int getAndIncrement() {
    	return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
	}

Unsafe 中的部分源代码

 public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
        int var5;
        do {
            var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
        } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));
        return var5;
    }

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内存的数据。Unsafe 内存在于 sun.mics 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 CAS 操作得知执行依赖于 Unsafe 类的方法。

注意 Unsafe 类中所有的方法都是 native 修饰的，也就是说 Unsafe 类中的方法都是直接调用操作系统底层资源执行相应任务。

valueOffset 属性

表示该变量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。

/**
     * Atomically increments by one the current value.
     * this：当前对象
	 * valueOffset：内存偏移量
     * @return the previous value
     */
	public final int getAndIncrement() {
    	return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
	}

使用 volatile 修饰保证了可见性，一旦修改其他类可以看见。

private volatile int value;

代码执行步骤讲解

假设线程A和线程B两个线程同时执行getAndAddlnt操作（分别跑在不同CPU上）：

1. AtomicInteger 里面的value原始值为5，即主内存中 AtomicInteger 的 value 为 5，根据JMM 模型，线程 A 和线程 B 各自持有一份值为 5 的 value 的副本分别到各自的工作内存。
2. 线程 A 通过 getlntVolatile（var1，var2）拿到value值5，这时线程A被挂起。
3. 线程 B 也通过 getlntVolatile（var1，var2）方法获取到value值5，此时刚好线程 B 没有被挂起并执行 compareAndSwaplnt 方法比较内存值也为 5，成功修改内存值为6，线程B打完收工，一切OK。
4. 这时线程 A 恢复，执行 compareAndSwaplnt 方法比较，发现自己手里的值数字 5 和主内存的值数字 6 不一致，说明该值己经被其它线程抢先一步修改过了，那A线程本次修改失败，只能重新读取重新来一遍了。
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 总是能够看到，线程 A 继续执行 compareAndSwaplnt 进行比较替换，直到成功。