Java CAS原子操作详解

2023-02-03 10:24 开发作者：飞奔的小付

一.什么是CAS

CAS（Compare And Swap，比较并交换），通常指的是这样一种原子操作：针对一个变量，首先比较它的内存值与某个期望值是否相同，如果相同，就给它赋一个新值。

CAS是一个不可分割的原子操作，并且其原子性是直接在硬件层面得到保障的。
CAS是乐观锁（对比数据库的悲观、乐观锁）的一种实现方式，Java原子类中的递增操作就通过CAS自旋实现的。
CAS是一种无锁算法，在不使用锁（没有线程被阻塞）的情况下实现多线程之间的变量同步。

二.流程

Java CAS原子操作详解

三.应用

在 Java 中，CAS 操作是由 Unsafe 类提供支持的，该类定义了三种针对不同类型变量的 CAS 操作

    public final native boolean compareAndSwapObject(Object var1, long var2, Object var4, Object var5);
    public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);
    public final native boolean compareAndSwapLong(Object var1, long var2, long var4, long var6);

它们都是 native 方法，由 Java 虚拟机提供具体实现，这意味着不同的 Java 虚拟机对它们的实现可能会略有不同。

以compareAndSwapInt为例，该方法提供四个参数，分别是：对象实例、内存偏移量、字段期望值、字段新值。该方法会针对指定对象实例中的相应偏移量的字段执行 CAS 操作。

public class CASTest {
    public static void main(String[]javascript args) {
        Entity entity = new Entity();
        Unsafe unsafe = UnsafeFactory.getUnsafe();
        long offset = UnsafeFactory.getFieldOffset(unsafe, Entity.class, "x");
        //12
        System.out.println(offset);
        boolean successful;
        // 4个参数分别是：对象实例、字段的内存偏移量、字段期望值、字段更新值
        //x是不是等于0，如果等于0就把它修改为3
        successful = unsafe.compareAndSwapInt(entity, offset, 0, 3);
        System.out.println(successful + "-----" + entity.x);
        successful = unsafe.compareAndSwapInt(entity, offset, 3, 5);
        System.out.println(successful + "-----" + entity.x);
        successful = unsafe.compareAndSwapInt(entity, offset, 3, 8);
        System.out.println(successful + "-----" + entity.x);
    }
}
class Entity{
    int x;
}
public class UnsafeFactory {
    /**
     * 获取 Unsafe 对象
     * @return
     */
    public static Unsafe getUnsafe() {
        try {
            Field field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
            field.setAccessible(true);
            return (Unsafe) field.get(null);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return null;
    }
    /**
     * 获取字段的内存偏移量
     * @param unsafe
     * @param clazz
     * @param fieldName
     * @return
     */
    public static long getFieldOffset(Unsafe unsafe, Class clazz, String fieldName) {
        try {
            return unsafe.objectFieldOffset(clazz.getDeclaredField(fieldName));
        } catch (NoSuchFieldException e) {
            throw new Error(e);
        }
    }
}

将x做了三次修改，执行结果是：

12

true-----3

true-----5

false-----5

四.源码解析

Hotspot 虚拟机对compareAndSwapInt 方法的实现如下：

#unsafe.cpp 
UNSAFE_ENTRY(jboolean, Unsafe_CompareAndSwapInt(JNIEnv *env, jobject unsafe, jo bject obj, jlong offset, jint e, jint x)) 
UnsafeWrapper("Unsafe_CompareAndSwapInt"); 
oop p = JNIHandles::resolve(obj); 
// 根据偏移量，计算value的地址 
jint* addr = (jint *) iandroidndex_oop_from_field_offset_long(p, offset);
// Atomic::cmpxchg(x, addr, e) cas逻辑 x:要交换的值 e:要比较的值 
//cas成功，返回期望值e，等于e,此方法返回true 
//cas失败，返回内存中的value值，不等于e，此方法返回false 
return (jint)(Atomic::cmpxchg(x, addr, e)) == e; 
UNSAFE_END

核心逻辑在Atomic::cmpxchg方法中，这个根据不同操作系统和不同CPU会有不同的实现。这里我们以linux_64x的为例，查看Atomic::cmpxchg的实现

#atomic_linux_x86.inline.hpp 
inline jint Atomic::cmpxchg (jint exchange_value, volatile jint* dest, jint com pare_value) { 
 //判断当前执行环境是否为多处理器环境 
 int mp = os::is_MP(); 
 //LOCK_IF_MP(%4)在多处理器环境下，为cmpxchgl指令添加lock前缀，以达到内存屏障的效果 
  //cmpxchgl 指令是包含在 x86 架构及 IA‐64 架构中的一个原子条件指令， 
  //它会首先比较 dest 指针指向的内存值是否和 compare_value 的值相等， 
  //如果相等，则双向交换 dest 与 exchange_value，否则就单方面地将dest指向的内存值交给exchange_value。 
  //这条指令完成了整个CAS操作，因此它也被称为CAS指令。 
  __asm__ volatile (LOCK_IF_MP(%4) "cmpxchgl %1,(%3)" 
  : "=a" (exchange_value) 
  : "r" (exchange_value), "a"开发者_开发教程 (compare_value), "r" (dest), "r" (mp) 
  : "cc", "memory"); 
  return exchange_value; 
  }

需要注意的是cmpxchg有个隐含操作数eax，其实际过程是先比较eax的值(也就是 compare_value)和dest地址所存的值是否相等，输出是"=a" (exchange_value)，表示把eax中存的值写入exchange_value变量中。

Atomic::cmpxchg这个函数最终返回值是exchange_value，也就是说，如果cmpxchgl执行时compare_value和dest指针指向内存值相等则会使得dest指针指向内存值变成 exchange_value，最终eax存的compare_value赋值给了exchange_value变量，即函数最终返回的值是原先的compare_value。此时Unsafe_CompareAndSwapInt的返回值(jint) (Atomic::cmpxchg(x, addr, e)) == e就是true，表明CAS成功。如果cmpxchgl执行时 compare_value和(dest)不等则会把当前dest指针指向内存的值写入eax，最终输出时赋值给exchange_value变量作为返回值，导致(jint)(Atomic::cmpxchg(x, addr, e)) == e得到 false，表明CAS失败。

不管是 Hotspot 中的 Atomic::cmpxchg 方法，还是 Java 中的 compareAndSwapInt 方法，它们本质上都是对相应平台的 CAS 指令的一层简单封装。CAS 指令作为一种硬件原语，有着天然的原子性，这也正是 CAS 的价值所在。

五.缺点

CAS 虽然高效地解决了原子操作，但是还是存在一些缺陷的，主要表现在三个方面：

自旋 CAS 长时间地不成功，则会给 CPU 带来非常大的开销
只能保证一个共享变量原子操作
ABA 问题

六.ABA 问题及解决方案

CAS算法实现一个重要前提需要取出内存中某时刻的数据，而在下时刻比较并替换，那么在这个时间差类会导致数据的变化。

当有多个线程对一个原子类进行操作的时候，某个线程在短时间内将原子类的值A修改为B，又马上将其修改为A，此时其他线程不感知，还是会修改成功。

Java CAS原子操作详解

代码演示

public class ABATest {
    public static void main(String[] args) {
        AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(1);
        new Thread(()->{
            int value = atomicInteger.get();
            log.debug("Thread1 read value: " + value);
            // 阻塞1s
            LockSupport.parkNanos(1000000000L);
            // Thread1通过CAS修改value值为3
            if (atomicInteger.compareAndSet(value, 3)) {
          python      log.debug("Thread1 update from " + value + " to 3");
            } else {
                log.debug("Thread1 update fail!");
            }
        },"Thread1").start();
        new Thread(()->{
            int value = atomicInteger.get();
            log.debug("Thread2 read value: " + value);
            // Thread2通过CAS修改value值为2
            if (atomicInteger.compareAndSet(value, 2)) {
                log.debug("Thread2 update from " + value + " to 2");
                // do something
                value = atomicInteger.get();
                log.debug("Thread2 read value: " + value);
                // Thread2通过CAS修改value值为1
                if (atomicInteger.compareAndSet(value, 1)) {
                    log.debug("Thread2 update from " + value + " to 1");
                }
            }
        },"Thread2").start();
    }
}

Thread1 read value: 1
Thread2 read value: 1
Thread2 update from 1 to 2
Thread2 read value: 2
Thread2 update from 2 to 1
Thread1 update from 1 to 3

Thread1以为值没有更新过，还是将1更新为了3

解决：

数据库有个锁称为乐观锁，是一种基于数据版本实现数据同步的机制，每次修改一次数据，版本就会进行累加。同样，Java也提供了相应的原子引用类AtomicStampedReference。

public class AtomicStampedReference<V> {
    private static class Pair<T> {
        final T reference;
        final int stamp;
        private Pair(T reference, int stamp) {
            this.reference = reference;
            this.stamp = stamp;
        }
        static <T> Pair<T> of(Twww.devze.com reference, int stamp) {
            return new Pair<T>(reference, stamp);
        }
    }
    ...

stamp是版本，每次修改可以通过+1保证版本唯一性。这样就可以保证每次修改后的版本也会往上递增。

public class AtomicStampedReferenceTest {
    public static void main(String[] args) {
        // 定义AtomicStampedReference    Pair.reference值为1, Pair.stamp为1
        AtomicStampedReference atomicStampedReference = new AtomicStampedReference(1,1);
        new Thread(()->{
            int[] stampHolder = new int[1];
            int value = (int) a编程客栈tomicStampedReference.get(stampHolder);
            int stamp = stampHolder[0];
            log.debug("Thread1 read value: " + value + ", stamp: " + stamp);
            // 阻塞1s
            LockSupport.parkNanos(1000000000L);
            // Thread1通过CAS修改value值为3   stamp是版本，每次修改可以通过+1保证版本唯一性
            if (atomicStampedReference.compareAndSet(value, 3,stamp,stamp+1)) {
                log.debug("Thread1 update from " + value + " to 3");
            } else {
                log.debug("Thread1 update fail!");
            }
        },"Thread1").start();
        new Thread(()->{
            int[] stampHolder = new int[1];
            int value = (int)atomicStampedReference.get(stampHolder);
            int stamp = stampHolder[0];
            log.debug("Thread2 read value: " + value+ ", stamp: " + stamp);
            // Thread2通过CAS修改value值为2
            if (atomicStampedReference.compareAndSet(value, 2,stamp,stamp+1)) {
                log.debug("Thread2 update from " + value + " to 2");
                // do something
                value = (int) atomicStampedReference.get(stampHolder);
                stamp = stampHolder[0];
                log.debug("Thread2 read value: " + value+ ", stamp: " + stamp);
                // Thread2通过CAS修改value值为1
                if (atomicStampedReference.compareAndSet(value, 1,stamp,stamp+1)) {
                    log.debug("Thread2 update from " + value + " to 1");
                }
            }
        },"Thread2").start();
    }
}

Thread1 read value: 1, stamp: 1
Thread2 read value: 1, stamp: 1
Thread2 update from 1 to 2
Thread2 read value: 2, stamp: 2
Thread2 update from 2 to 1
Thread1 update fail!

因为版本不一样，Thread1没有将值修改成功，这就解决了ABA问题。

到此这篇关于Java CAS原子操作详解的文章就介绍到这了,更多相关Java CAS内容请搜索我们以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持我们！

继续阅读：JavaCAS机制 Java原子操作

Java CAS原子操作详解

目录

一.什么是CAS

二.流程

三.应用

四.源码解析

五.缺点

六.ABA 问题及解决方案

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