CAS總結

 

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版本Android Studio3.2

 

 

 

什么是CAS

它是用在並發場合用來實現線程安全的一種算法，進行不可分割的原子操作。基本思想是：我認為value的值應該是A，如果是的話那我就把它改成B，如果不是A就說明已經被別人修改過了，那么我就不修改了，這就避免了並發情況下多人修改導致出錯。

CAS有三個操作數：內存值V、預期值A、要求改的值B。當且僅當預期值A和內存值V相同時，才將內存值修改為B，否則什么都不做。最后返回現在的V值。

CPU的特殊指令：CAS實際上是要利用CPU的特殊指令，這些指令由CPU保證了他們的原子性，一個指令就可以做好幾件事情，也不會出現線程安全問題。

 

案例

理解CAS的等價代碼：

public class SimulatedCAS {
    private volatile int value;
​
    public synchronized int compareAndSwap(int expectedValue, int newValue) {
        int oldValue = value;
        if (oldValue == expectedValue) {
            value = newValue;
       }
        return oldValue;
   }
}

 

 

應用場景

CAS在juc包中的應用是很多的，既能保證安全性，又能提高性能，不需要去獲取互斥同步鎖。CAS的第一個應用就是樂觀鎖，還有並發容器，以及原子類。

 

以AtomicInteger為例，分析在Java中是如何利用CAS實現原子操作的

關於Java中是如何利用CAS實現原子操作：

• AtomicInteger加載Unsafe工具，用來直接操作內存數據。

• 所以實際上是通過Unsafe來實現底層操作。

  關於Unsafe類：

  Unsafe是CAS的核心類。Java無法直接訪問底層操作系統，而是通過本地native方法來訪問。不過盡管如此，JVM還是開啟了一個后門，JDK中的一個類Unsafe，提供了硬件級別的原子操作。

  Unsafe代碼中的objectFieldOffset方法獲得的VALUE表示的是變量值在內存中的偏移地址，因為Unsafe就是根據內存偏移地址獲取數據的原值的，這樣我們就能通過Unsafe來實現CAS了。

• 並且還需要volatile修飾value字段，保證可見性。

• getAndAddInt方法分析

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
    private static final jdk.internal.misc.Unsafe U = jdk.internal.misc.Unsafe.getUnsafe();
    private static final long VALUE = U.objectFieldOffset(AtomicInteger.class, "value");
    //這個靜態變量會在最初被加載，
    //VALUE則是用Unsafe的objectFieldOffset取得的，拿到的是AtomicInteger這個類中value字段的地址。
    //而value正是用volatile修飾的
    private volatile int value;
    
    //省略。。。
    
    //分析getAndAdd方法
    public final int getAndAdd(int delta) {
        //調用的是Unsafe的getAndAddInt方法
        return U.getAndAddInt(this, VALUE, delta);
   }
}
​
​
class Unsafe{
    //省略。。。
    
    @HotSpotIntrinsicCandidate
    public final int getAndAddInt(Object o, long offset, int delta) {
        int v;
        do {
            v = getIntVolatile(o, offset);
       } while (!weakCompareAndSetInt(o, offset, v, v + delta));
        //可以看到上面是一個dowhile循環
        //而循環條件就調用了weakCompareAndSetInt，正是CAS的體現
        return v;
   }
    
    
    @HotSpotIntrinsicCandidate
    public final boolean weakCompareAndSetInt(Object o, long offset,
                                              int expected,
                                              int x) {
        return compareAndSetInt(o, offset, expected, x);
   }
    
    //到這里已經是一個native方法了
    //關於這個本地方法，它的C++代碼的思路是，利用偏移量拿到原值地址，然后進行相應的CAS操作
    @HotSpotIntrinsicCandidate
    public final native boolean compareAndSetInt(Object o, long offset,
                                                 int expected,
                                                 int x);
}

• 總結

  Unsafe方法中的compareAndSetInt方法想辦法拿到變量value在內存中的地址。然后通過C++代碼實現原子性比較和替換。

 

缺點

• ABA問題

  可以添加版本號解決。

• 自旋時間過長