cas底层原理

CAS 你知道吗?

public class CASDemo {

    public static void main(String[] args) {

        AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(666);

        // 获取真实值,并替换为相应的值

        boolean b = atomicInteger.compareAndSet(666, 2019);

        System.out.println(b); // true

        boolean b1 = atomicInteger.compareAndSet(666, 2020);

        System.out.println(b1); // false

        atomicInteger.getAndIncrement();

    }

}

CAS 底层原理?谈谈对 UnSafe 的理解?

getAndIncrement();

/**

* Atomically increments by one the current value.

*

* @return the previous value

*/

public final int getAndIncrement() {

    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);

}

引出一个问题:UnSafe 类是什么?

UnSafe 类

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 {

            // 获取下面 value 的地址偏移量

            valueOffset = unsafe.objectFieldOffset

                (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));

        } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }

    }

    private volatile int value;

// ...

}

Unsafe 是 CAS 的核心类,由于 Java 方法无法直接访问底层系统,而需要通过本地(native)方法来访问, Unsafe 类相当一个后门,基于该类可以直接操作特定内存的数据。Unsafe 类存在于 sun.misc 包中,其内部方法操作可以像 C 指针一样直接操作内存,因为 Java 中 CAS 操作执行依赖于 Unsafe 类。

变量 vauleOffset,表示该变量值在内存中的偏移量,因为 Unsafe 就是根据内存偏移量来获取数据的。

变量 value 用 volatile 修饰,保证了多线程之间的内存可见性。

CAS 是什么

CAS 的全称 Compare-And-Swap,它是一条 CPU 并发。

它的功能是判断内存某一个位置的值是否为预期,如果是则更改这个值,这个过程就是原子的。

CAS 并发原体现在 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。这是一种完全依赖硬件的功能,通过它实现了原子操作。由于 CAS 是一种系统源语,源语属于操作系统用语范畴,是由若干条指令组成,用于完成某一个功能的过程,并且原语的执行必须是连续的,在执行的过程中不允许被中断,也就是说 CAS 是一条原子指令,不会造成所谓的数据不一致的问题。

分析一下 getAndAddInt 这个方法

// unsafe.getAndAddInt

public final int getAndAddInt(Object obj, long valueOffset, long expected, int val) {

    int temp;

    do {

        temp = this.getIntVolatile(obj, valueOffset);  // 获取快照值

    } while (!this.compareAndSwap(obj, valueOffset, temp, temp + val));  // 如果此时 temp 没有被修改,就能退出循环,否则重新获取

    return temp;

}

CAS 的缺点?

循环时间长开销很大

如果 CAS 失败,会一直尝试,如果 CAS 长时间一直不成功,可能会给 CPU 带来很大的开销(比如线程数很多,每次比较都是失败,就会一直循环),所以希望是线程数比较小的场景。

只能保证一个共享变量的原子操作

对于多个共享变量操作时,循环 CAS 就无法保证操作的原子性。

引出 ABA 问题

原子类 AtomicInteger 的 ABA 问题谈一谈?原子更新引用知道吗?

原子引用

public class AtomicReferenceDemo {

    public static void main(String[] args) {

        User cuzz = new User("cuzz", 18);

        User faker = new User("faker", 20);

        AtomicReference<User> atomicReference = new AtomicReference<>();

        atomicReference.set(cuzz);

        System.out.println(atomicReference.compareAndSet(cuzz, faker)); // true

        System.out.println(atomicReference.get()); // User(userName=faker, age=20)

    }

}

ABA 问题是怎么产生的

/**

* @program: learn-demo

* @description: ABA

* @author: cuzz

* @create: 2019-04-21 23:31

**/

public class ABADemo {

    private static AtomicReference<Integer> atomicReference = new AtomicReference<>(100);

    public static void main(String[] args) {

        new Thread(() -> {

            atomicReference.compareAndSet(100, 101);

            atomicReference.compareAndSet(101, 100);

        }).start();

        new Thread(() -> {

            // 保证上面线程先执行

            try {

                Thread.sleep(1000);

            } catch (InterruptedException e) {

                e.printStackTrace();

            }

            atomicReference.compareAndSet(100, 2019);

            System.out.println(atomicReference.get()); // 2019

        }).start();

    }

}

当有一个值从 A 改为 B 又改为 A,这就是 ABA 问题。

时间戳原子引用

package com.cuzz.thread;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicStampedReference;

/**

* @program: learn-demo

* @description: ABA

* @author: cuzz

* @create: 2019-04-21 23:31

**/

public class ABADemo2 {

    private static AtomicStampedReference<Integer> atomicStampedReference = new AtomicStampedReference<>(100, 1);

    public static void main(String[] args) {

        new Thread(() -> {

            int stamp = atomicStampedReference.getStamp();

            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 的版本号为:" + stamp);

            try {

                Thread.sleep(1000);

            } catch (InterruptedException e) {

                e.printStackTrace();

            }

            atomicStampedReference.compareAndSet(100, 101, atomicStampedReference.getStamp(), atomicStampedReference.getStamp() + 1 );

            atomicStampedReference.compareAndSet(101, 100, atomicStampedReference.getStamp(), atomicStampedReference.getStamp() + 1 );

        }).start();

        new Thread(() -> {

            int stamp = atomicStampedReference.getStamp();

            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 的版本号为:" + stamp);

            try {

                Thread.sleep(3000);

            } catch (InterruptedException e) {

                e.printStackTrace();

            }

            boolean b = atomicStampedReference.compareAndSet(100, 2019, stamp, stamp + 1);

            System.out.println(b); // false

            System.out.println(atomicStampedReference.getReference()); // 100

        }).start();

    }

}

我们先保证两个线程的初始版本为一致,后面修改是由于版本不一样就会修改失败

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