[Java] CAS操作

CAS，Compare And Swap，即比较并交换，整个AQS同步组件、Atomic原子类操作等等都是以CAS实现的，甚至ConcurrentHashMap在1.8的版本中也调整为了CAS+Synchronized，可以说CAS是整个JUC的基石。

对于并发控制而言，锁是一种悲观策略，会阻塞线程执行，而无锁是一种乐观策略，它会假设对资源的访问是没有冲突的，既然没有冲突就不需要等待，线程不需要阻塞。

CAS分析

在CAS中有三个参数，内存位置V、旧的预期值A、要更新的值B，当且仅当内存位置V的值等于旧的预期值A时才会将内存位置V的值修改为B，否则什么也不干，其伪代码如下：

if (this.value == A) {
  this.value = B;
  return true;
} else {
  return false;
}

其实上面这段伪代码也不是线程安全的，如果两个线程分别都通过了this.value == A的判断，那么最终value的值就未知了。

JUC下的atomic类都是通过CAS来实现的，下面就以AtomicInteger为例来阐述CAS的操作，如下：

private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
private static final long valueOffset;
static {
  try {
    valueOffset = unsafe.objectFieldOffset(AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
  } catch (Exception e) {
    throw new Error(e);
  }
}
private volatile int value;

Unsafe是CAS的核心类，Java无法直接访问底层操作系统，而是通过本地方法来访问，但是JVM还是开了一个后门：Unsafe，它提供了硬件级别的原子操作。

valueOffset为变量值在内存中的偏移地址，unsafe就是通过偏移地址来得到数据的原值的。

value当前值，使用volatile修饰，保证多线程中看见的是同一个。

下面看下AtomicInteger中的addAndGet()方法：

public final int addAndGet(int delta) {
  return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta) + delta;
}
public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
  int var5;
  do {
    var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
  } while (!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));
  
  return var5;
}

内部调用unsafe的getAndAddInt方法，在getAndAddInt方法中又调用了compareAndSwapInt方法，其具有四个参数，分别表示对象、对象的地址、预期值、修改值。

我们再看下AtomicInteger类中的一个方法：compareAndSet，顾名思义，如果当前值等于预期值，则以原子方式将该值设置为给定的更新值：

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public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
  return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}

可以发现，compareAndSet底层调用的仍然是compareAndSwapInt方法。

再看一个方法getAndIncrement：

public final int getAndIncrement() {
  for (; ;) {
    int current = get();
    int next = current + 1;
    /*
    	为了确保当前线程可以发现其他线程对临界区数据的修改，这里value使用volatile进行修饰
    */
    if (compareAndSet(current, next)) {
      return current;
    }
  }
}

这里就是先获取value的值，再加1，然后进行CAS操作，如果在读取value值和加1的过程中value的值被其他线程改变了，那么CAS失败，一直循环到成功为止。

CAS的ABA问题

因为CAS需要在操作值的时候检查下值有没有发生变化，如果没有变化就更新，但是如果一个值原来是A，变成了B，又变成了A，那么使用CAS进行检查时会发现它的值没有发生变化，但是实际上却变化了，ABA问题的解决思路就是使用版本号，在变量前面加上版本号，每次变量更新的时候把版本号加1，那么A-B-A就会变成1A-2B-3A，从Java1.5开始的JDK的atomic包里提供了一个类AtomicStampedReference来解决ABA问题，这个类的compareAndSet方法作用是先检查当前引用是否等于预期引用，并且当前标志是否等于预期标志，如果全部相等，则以原子方式将该引用和该标志的值设置为给定的更新值。

[Java] CAS操作

CAS分析

CAS的ABA问题

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