【JUC】CAS 底层原理

比较并交换（compare and set）

CAS 翻译成中文即：比较并交换，他是一条 CPU 原语操作（保证读写的原子性），底层基于 c/c++ 实现，直接通过指针操作内存实现。通过使用 CAS 原语能够解决并发更新数据的问题，不用额外加锁去保证线程安全。

CAS 的使用

以下例子，通过 AtomicInteger 类的两个方法阐述 CAS 的使用。

getAndIncrement()

有个面试高频考点，i++ 线程安全吗？
实际上在多线程环境下，基于 JMM 模型，每个线程都有各自的本地内存，线程工作时会从主内存拷贝一份自己需要的数据，在值回写主内存时容易引发线程安全问题。

比如两个线程 t1,t2 同时进行 i++ 操作，

1. t1 与 t2 同时从主内存拷贝了 i=0 的值到本地内存
2. t1 率先完成了两次 ++ 操作，此时主内存值为 2。t2 因故挂起未执行，且 t2 的本地内存值为 0。
3. t2 被唤醒，执行 1 次 ++ 操作，回写主内存，将主内存的值覆盖为 1，至此引发线程安全问题。

有同学可能要讲，加上 volatile 保证可见性，就不会有上述问题了，那我们继续看看：
首先 i++ 实际上是由四条指令组成的

第一条指令 getfield ：取出 n 这个元素
第二条指令 iconst_1 ：把常量 1 压入栈
第三条指令 iadd ：把 n 和常量 1 进行相加
第四条指令 putfield ：把数据刷回主内存

t1 与 t2 即便能读取到最新的值，但盖不住 i++ 操作非原子，上述地三条指令若同时被执行，则同样引发线程安全问题。

volatile 能够保证安全性，但是不能保证原子性，它仅能保证读到最新的数据。

跑代码看看：

@Data
public class VolatileTestData {
    /**
     * 普通int类型
     */
    private int number = 0;
    /**
     * 原子类int
     */
    private AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();

    /**
     * 使用++操作，线程不安全。
     *
     * @return: void
     * @author openshell
     * @date: 2022/2/3 10:48
     */
    public void add() {
        number++;
    }

    /**
     * 基于CPU原语，CAS原理进行自增，线程安全。
     *
     * @return: void
     * @author openshell
     * @date: 2022/2/3 10:48
     */
    public void atomicAdd() {
        atomicInteger.getAndIncrement();
    }
}

@Test
    public void testAtomicity() {
        VolatileTestData volatileTestData = new VolatileTestData();
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                    //调用i++方法自增
                    volatileTestData.add();
                    //使用AtomicInteger自增（CAS）
                    volatileTestData.atomicAdd();
                }
            }).start();
        }
        //注：
        //1.Thread.activeCount()用于返回当前线程的线程组中活动线程的数量,返回的值只是一个估计值，因为当此方法遍历内部数据结构时，线程数可能会动态更改。
        //2.此处无内部数据结构故无影响
        //3.IntelliJ IDEA执行用户代码的时候，实际是通过反射方式去调用，而与此同时会创建一个Monitor Ctrl-Break 用于监控目的，故线程会多一个。
        while (Thread.activeCount() > 2) {
            System.out.println("线程数量：" + Thread.activeCount());
            //线程回退到可运行状态，将cpu时间交给同级或者更高优先级的线程
            Thread.yield();
        }
        System.out.println("普通i++的执行结果：" + volatileTestData.getNumber());
        System.out.println("Atomically increments的结果：" + volatileTestData.getAtomicInteger());
    }

执行结果：

线程数量：4
线程数量：4
普通i++的执行结果：18306
Atomically increments的结果：20000

多次运行 i++ 操作均无法满足期望值，原子整型的计算结果总是正确的。

compareAndSet()

运行：

AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(5);
        System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(5, 2021) + "\t 当前值为：" + atomicInteger.get());
        System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(5, 1024) + "\t 当前值为：" + atomicInteger.get());

输出：

true	 当前值为：2021
false	 当前值为：2021

compareAndSet 源码：

若当前值等于期望值，则原子的更新给定的值。

/**
     * Atomically sets the value to the given updated value
     * if the current value {@code ==} the expected value.
     *
     * @param expect the expected value
     * @param update the new value
     * @return {@code true} if successful. False return indicates that
     * the actual value was not equal to the expected value.
     */
    public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
    }

该方法调用了 unsafe 类，unsafe 位于 jre 下的 rt.jar，由于该类脱离了 jvm 的管理，直接操作内存，可能带来不可预估的错误，故取名为 unsafe。

CAS 的缺点

尽管 cas 算法保证了数据读写的原子性，但仍存在一些问题。

• ABA 问题
  eg:有三个线程 t1 t2 t3，同时修改变量 i,t1 与 t2 的功能是将 i 改为 B，t3 的功能是将 i 改为 A：

  1. t1 执行成功，i=B,t2 被挂起
  2. t3 被唤醒，将 i 改为 A
  3. t2 被唤醒，此时值为 A，t2 仍然执行 i=B 的操作，t2 并不知道第二步的发生，至此产生 ABA 问题

  解决办法：CAS 属于乐观锁，可以在使用时增加版本号，解决以上问题。

代码示例：

public class ABAResolveTest {

    public static void main(String[] args) {
        testStamp();
    }

    private static void testStamp() {
        AtomicStampedReference<Integer> atomicStampedReference = new AtomicStampedReference<>(1, 1);

        new Thread(()->{
            int[] stampHolder = new int[1];
            //返回当前相同引用的值和信号量
            int value = atomicStampedReference.get(stampHolder);
            int stamp = stampHolder[0];
            System.out.println("thread 1 read value: " + value + ", stamp: " + stamp);

            // 阻塞1s
            LockSupport.parkNanos(1000000000L);

            if (atomicStampedReference.compareAndSet(value, 3, stamp, stamp + 1)) {
                System.out.println("thread 1 update from " + value + " to 3");
            } else {
                System.out.println("thread 1 update fail!");
            }
        }).start();

        new Thread(()->{
            int[] stampHolder = new int[1];
            int value = atomicStampedReference.get(stampHolder);
            int stamp = stampHolder[0];
            System.out.println("thread 2 read value: " + value + ", stamp: " + stamp);
            if (atomicStampedReference.compareAndSet(value, 2, stamp, stamp + 1)) {
                System.out.println("thread 2 update from " + value + " to 2");

                // do sth

                value = atomicStampedReference.get(stampHolder);
                stamp = stampHolder[0];
                System.out.println("thread 2 read value: " + value + ", stamp: " + stamp);
                if (atomicStampedReference.compareAndSet(value, 1, stamp, stamp + 1)) {
                    System.out.println("thread 2 update from " + value + " to 1");
                }
            }
        }).start();
    }
}

• 循环可能导致 CPU 开销过大
  在 unsafe 源码中可以看出，若未能按照期望值更新，该方法会一直循环下去，这对 CPU 的开销是极大的。
  可以通过增加次数限制解决该问题。
• 只能保证一个共享变量的原子操作
  如果要保证一个代码块的原子性，CAS 则不支持。此时，可以通过加锁，或者将多个共享变量转化为一个执行 CAS。

参考文章：死磕 java 并发包之 AtomicStampedReference 源码分析（ABA 问题详解） - 掘金 (juejin.cn)