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3分钟带你秒懂CAS实现机制

Author: 潘志的研发笔记 · 分类： Java ·    2024年12月 · tags:

一、背景介绍

在 Java 的java.util.concurrent包中，除了提供底层锁、并发同步等工具类以外，还提供了一组原子操作类，大多以Atomic开头，他们位于java.util.concurrent.atomic包下。

所谓原子类操作，顾名思义，就是这个操作要么全部执行成功，要么全部执行失败，是保证并发编程安全的重要一环。

以AtomicInteger原子类为例，应用示例如下！

public class Demo {
    /**
     * 初始化一个原子操作类
     */
    private static AtomicInteger a = new AtomicInteger();
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        final int threads = 10;
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threads);
        for (int i = 0; i < threads; i++) {
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                        // 采用原子性操作累加
                        a.incrementAndGet();
                    }
                    countDownLatch.countDown();
                }
            }).start();
        }
        // 阻塞等待10个线程执行完毕
        countDownLatch.await();
        // 输出结果值
        System.out.println("结果值：" + a.get());
    }
}

输出结果：

结果值：10000

相比通过synchronized和lock等方式实现的线程安全同步操作，原子类的实现机制则完全不同。它采用的是通过无锁（lock-free）的方式来实现线程安全（thread-safe）访问，底层原理主要基于CAS操作来实现。

某些业务场景下，通过原子类来操作，既可以实现线程安全的要求，又可以实现高效的并发性能，同时编程方面更加简单。

二、什么是 CAS 操作呢？

CAS，全称是：Compare and Swap，翻译过来就是：比较并替换。它是实现并发算法时常用的一种技术，它包含三个操作数：内存位置、预期原值及新值。在执行CAS操作的时候，会将内存位置的值与预期原值比较，如果一致，会将该位置的值更新为新值；否则，不做任何操作。

我们还是以AtomicInteger原子类为例，部分源码内容如下：

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 6214790243416807050L;
    // 使用 Unsafe.compareAndSwapInt 方法进行 CAS 操作
    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); }
    }
    // 变量使用 volatile 保证可见性
    private volatile int value;
    /**
     * get 方法
     */
    public final int get() {
        return value;
    }
    /**
     * 原子性自增操作
     */
    public final int incrementAndGet() {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
    }
}

从源码上可以清晰的看出，变量value使用了volatile关键字，保证数据可见性和程序的有序性；原子性自增操作incrementAndGet()方法，路由到Unsafe.getAndAddInt()方法上。

我们继续往下看Unsafe.getAndAddInt()这个方法，部分源码内容如下：

public final class Unsafe {
    public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
        int var5;
        // 1.循环比较并替换，只有成功才返回
        do {
            // 2.调用底层方法得到 value 值
            var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
            // 3.通过var1和var2得到底层值，var5为当前值，如果底层值与当前值相同，则将值设为var5+var4
        } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));
        // 4.如果替换成功，返回当前值
        return var5;
    }
    /**
     * CAS 核心方法，由其他语言实现，不再分析
     */
    public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);
}

从以上的源码可以清晰的看到，incrementAndGet()方法主要基于Unsafe.compareAndSwapInt方法来实现，同时进行了循环比较与替换的操作，只有替换成功才会返回，这个过程也被称为自旋操作，确保程序执行成功，进一步保证了操作的原子性。

其它的方法实现思路也类似。

如果我们自己通过CAS编写incrementAndGet()，大概长这样：

public int incrementAndGet(AtomicInteger var) {
    int prev, next;
    do {
        prev = var.get();
        next = prev + 1;
    } while ( !var.compareAndSet(prev, next));
    return next;
}

当并发数量比较低的时候，采用CAS这种方式可以实现更快的执行效率；当并发数量比较高的时候，因为存在循环比较与替换的逻辑，如果长时间循环，可能会更加消耗 CPU 资源，此时采用synchronized或Lock来实现线程同步，可能会更有优势。

三、ABA问题

从上文的分析中，我们知道 CAS 在操作的时候会检查预期原值是否发生变化，当预期原值没有发生变化才会更新值。

在实际业务中，可能会出现这么一个现象：线程 t1 正尝试将共享变量的值 A 进行修改，但还没修改；此时另一个线程 t2 获取到 CPU 时间片，将共享变量的值 A 修改成 B，然后又修改为 A，此时线程 t1 检查发现共享变量的值没有发生变化，就会主动去更新值，导致出现了错误更新，但是实际上原始值在这个过程中发生了好几次变化。这个现象我们称它为 ABA 问题。

ABA 问题的解决思路就是使用版本号，在变量前面追加上版本号，每次变量更新的时候把版本号加 1，原来的A-B-A就会变成1A-2B-3A。

在java.util.concurrent.atomic包下提供了AtomicStampedReference类，它支持指定版本号来更新，可以通过它来解决 ABA 问题。

在AtomicStampedReference类的compareAndSet()方法中，会检查当前引用是否等于预期引用，并且当前版本号是否等于预期版本号，如果全部相等，则以原子方式将该引用的值设置为给定的更新值，同时更新版本号。

具体示例如下：

// 初始化一个带版本号的原子操作类，原始值：a，原始版本号：1
AtomicStampedReference<String> reference = new AtomicStampedReference<>("a", 1);
// 将a更为b，同时将版本号加1，第一个参数：预期原值；第二个参数：更新后的新值；第三个参数：预期原版本号；第四个参数：更新后的版本号
boolean result1 = reference.compareAndSet("a", "b", reference.getStamp(), reference.getStamp() + 1);
System.out.println("第一次更新：" + result1);
// 将b更为a，因为预期原版本号不对，所以更新失败
boolean result2 = reference.compareAndSet("b", "a", 1, reference.getStamp());
System.out.println("第二次更新：" + result2);

输出结果：

第一次更新：true
第二次更新：false

四、小结

本文主要以AtomicInteger的用法和原理为例，对 CAS 实现原理进行介绍，JUC包下的原子操作类非常的多，但是大体用法和原理基本相似，只是针对不同的数据类型做了细分处理。

希望本篇的知识总结，能帮助到大家！

五、参考

1.https://www.liaoxuefeng.com/wiki/1252599548343744/1306581083881506

2.https://blog.csdn.net/zzti_erlie/article/details/123001758

3.https://juejin.cn/post/7057032581165875231

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