Java中CAS的底層實現原理是什么

Java中CAS的底層實現原理是什么，很多新手對此不是很清楚，為了幫助大家解決這個難題，下面小編將為大家詳細講解，有這方面需求的人可以來學習下，希望你能有所收獲。

一、CAS（compareAndSwap）的概念

CAS，全稱Compare And Swap（比較與交換），解決多線程并行情況下使用鎖造成性能損耗的一種機制。

CAS（V, A, B），V為內存地址、A為預期原值，B為新值。如果內存地址的值與預期原值相匹配，那么將該位置值更新為新值。否則，說明已經被其他線程更新，處理器不做任何操作；無論哪種情況，它都會在 CAS 指令之前返回該位置的值。而我們可以使用自旋鎖，循環CAS，重新讀取該變量再嘗試再次修改該變量，也可以放棄操作。

二、CAS（compareAndSwap）的產生

為什么需要CAS機制呢？我們先從一個錯誤現象談起。我們經常使用volatile關鍵字修飾某一個變量，表明這個變量是全局共享的一個變量，同時具有了可見性和有序性。但是卻沒有原子性。比如說一個常見的操作a++。這個操作其實可以細分成三個步驟：

（1）從內存中讀取a

（2）對a進行加1操作

（3）將a的值重新寫入內存中

在單線程狀態下這個操作沒有一點問題，但是在多線程中就會出現各種各樣的問題了。因為可能一個線程對a進行了加1操作，還沒來得及寫入內存，其他的線程就讀取了舊值。造成了線程的不安全現象。

Volatile關鍵字可以保證線程間對于共享變量的可見性可有序性，可以防止CPU的指令重排序(DCL單例)，但是無法保證操作的原子性，所以jdk1.5之后引入CAS利用CPU原語保證線程操作的院子性。

CAS操作由處理器提供支持，是一種原語。原語是操作系統或計算機網絡用語范疇。是由若干條指令組成的，用于完成一定功能的一個過程，具有不可分割性，即原語的執行必須是連續的，在執行過程中不允許被中斷。如 Intel 處理器，比較并交換通過指令的 cmpxchg 系列實現。

三、CAS（compareAndSwap）的原理探究

CAS的實現主要在JUC中的atomic包，我們以AtomicInteger類為例：

通過代碼追溯，可以看出JAVA中的CAS操作都是通過sun包下Unsafe類實現，而Unsafe類中的方法都是native方法，由JVM本地實現，所以最終的實現是基于C、C++在操作系統之上操作

Unsafe類，在sun.misc包下，不屬于Java標準。Unsafe類提供一系列增加Java語言能力的操作，如內存管理、操作類/對象/變量、多線程同步等

//var1為CAS操作的對象，offset為var1某個屬性的地址偏移值，expected為期望值，var2為要設置的值，利用JNI來完成CPU指令的操作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);public native Object getObjectVolatile(Object var1, long var2);public native void putObjectVolatile(Object var1, long var2, Object var4);

Hotspot源碼中關于unsafe的實現hotspot\src\share\vm\prims\unsafe.cppUNSAFE_ENTRY(jboolean, Unsafe_CompareAndSwapInt(JNIEnv *env, jobject unsafe, jobject obj, jlong offset, jint e, jint x)) UnsafeWrapper("Unsafe_CompareAndSwapInt"); oop p = JNIHandles::resolve(obj);根據偏移量,計算value的地址。這里的offset就是 AtomaicInteger中的valueOffset jint* addr = (jint *) index_oop_from_field_offset_long(p, offset); return (jint)(Atomic::cmpxchg(x, addr, e)) == e;UNSAFE_END\hotspot\src\share\vm\runtime\atomic.cppunsigned Atomic::cmpxchg(unsigned int exchange_value,             volatile unsigned int* dest, unsigned int compare_value) { assert(sizeof(unsigned int) == sizeof(jint), "more work to do"); return (unsigned int)Atomic::cmpxchg((jint)exchange_value, (volatile jint*)dest,                    (jint)compare_value);}根據操作系統類型調用不同平臺下的重載函數，這個在預編譯期間編譯器會決定調用哪個平臺下的重載

可以看到調用了“Atomic::cmpxchg”方法，“Atomic::cmpxchg”方法在linux_x86和windows_x86的實現如下

linux_x86底層實現\hotspot\src\os_cpu\linux_x86\vm\atomic_linux_x86.inline.hppinline jint   Atomic::cmpxchg  (jint   exchange_value, volatile jint*   dest, jint   compare_value) { int mp = os::is_MP(); __asm__ volatile (LOCK_IF_MP(%4) "cmpxchgl %1,(%3)"          : "=a" (exchange_value)          : "r" (exchange_value), "a" (compare_value), "r" (dest), "r" (mp)          : "cc", "memory"); return exchange_value;}

windows_x86底層實現hotspot\src\os_cpu\windows_x86\vmatomic_linux_x86.inline.hppinline jint   Atomic::cmpxchg  (jint   exchange_value, volatile jint*   dest, jint   compare_value) { // alternative for InterlockedCompareExchange int mp = os::is_MP(); __asm {  mov edx, dest  mov ecx, exchange_value  mov eax, compare_value  LOCK_IF_MP(mp)  cmpxchg dword ptr [edx], ecx }}

總結：根據資料查詢，其實CAS底層實現根據不同的操作系統會有不同重載，CAS的實現離不開處理器的支持。

核心代碼就是一條帶lock 前綴的 cmpxchg 指令，即lock cmpxchg dword ptr [edx], ecx

Atomic::cmpxchg方法解析：

mp是“os::is_MP()”的返回結果，“os::is_MP()”是一個內聯函數，用來判斷當前系統是否為多處理器。

如果當前系統是多處理器，該函數返回1。

否則，返回0。

LOCK_IF_MP(mp)會根據mp的值來決定是否為cmpxchg指令添加lock前綴。

如果通過mp判斷當前系統是多處理器（即mp值為1），則為cmpxchg指令添加lock前綴。

否則，不加lock前綴。

這是一種優化手段，認為單處理器的環境沒有必要添加lock前綴，只有在多核情況下才會添加lock前綴，因為lock會導致性能下降。cmpxchg是匯編指令，作用是比較并交換操作數。

四、CAS機制的優缺點

4.1 優點

cas是一種樂觀鎖，而且是一種非阻塞的輕量級的樂觀鎖，什么是非阻塞式的呢？其實就是一個線程想要獲得鎖，對方會給一個回應表示這個鎖能不能獲得。在資源競爭不激烈的情況下性能高，相比synchronized重量鎖，synchronized會進行比較復雜的加鎖，解鎖和喚醒操作。

4.2 缺點

1）循環時間長開銷大，占用CPU資源

2）只能保證一個共享變量的原子操作

3）ABA問題

4.3 解決ABA問題

1）添加版本號

2）AtomicStampedReference

java并發包為了解決這個問題，提供了一個帶有標記的原子引用類“AtomicStampedReference”，它可以通過控制變量值的版本來保證CAS的正確性。因此，在使用CAS前要考慮清楚“ABA”問題是否會影響程序并發的正確性，如果需要解決ABA問題，改用傳統的互斥同步可能會比原子類更高效。

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