Java 之 CAS（CompareAndSwap）底层原理详解

一. 前言

二. CAS 底层原理

2.1. 代码实例

2.2. 源码分析

2.3. 底层汇编

2.4. ABA 问题

三. 总结

3.1. CAS 缺点

3.2. CAS 会导致 ABA 问题

一. 前言

CAS 的全称是 Compare-And-Swap，它是 CPU 并发原语。它的功能是判断内存某个位置的值是否为预期值。如果是则更改为新的值，这个过程是原子的。 CAS 并发原语体现在 Java 语言中就是 sun.misc.Unsafe 类的各个方法。调用 UnSafe 类中的 CAS 方法，JVM 会帮我们实现出 CAS汇编指令，这是一种完全依赖于硬件的功能，通过它实现了原子操作，再次强调，由于 CAS 是一种系统原语，原语属于操作系统作用范畴，是由若干条指令组成，用于完成某个功能的一个过程，并且原语的执行必须是连续的，在执行过程中不允许被中断，也就是说 CAS 是一条 CPU 的原子指令，不会造成所谓的数据不一致的问题，也就是说 CAS 是线程安全的。

二. CAS 底层原理

2.1. 代码实例

首先使用 AtomicInteger 创建了一个实例，并初始化为 5：

// 创建一个原子类
AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(5);

然后调用 CAS 方法，企图更新成 2024，这里有两个参数，一个是 5，表示期望值，第二个就是我们要更新的值：

atomicInteger.compareAndSet(5, 2024);

然后再次使用了一个方法，同样将值改为 1024：

atomicInteger.compareAndSet(5, 1024);

完整代码如下：

public class CASDemo {public static void main(String[] args) {// 创建一个原子类AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(5);/*** 一个是期望值，一个是更新值，但期望值和原来的值相同时，才能够更改* 假设三秒前，我拿的是5，也就是expect为5，然后我需要更新成 2024*/System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(5, 2024) + "\t current data: " + atomicInteger.get());System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(5, 1024) + "\t current data: " + atomicInteger.get());}
}

上面代码的执行结果为：

true     current date: 2024
false    current date: 2024

这是因为我们执行第一个的时候，期望值和原本值是满足的，因此修改成功，但是第二次后，主内存的值已经改成了 2024，不满足期望值，因此返回了 false，本次写入失败。

这个就类似于 SVN 或者 Git 的版本号，如果没有人更改过，就能够正常提交，否则需要先将代码pull 下来，合并代码后，然后提交。

2.2. 源码分析

首先我们先看看 atomicInteger.getAndIncrement() 方法的源码：

从这里能够看到，底层又调用了一个 unsafe 类的 getAndAddInt() 方法。

unsafe 类：

Unsafe 是 CAS 的核心类，由于 Java 方法无法直接访问底层系统，需要通过本地（Native）方法来访问，Unsafe 相当于一个后门，基于该类可以直接操作特定的内存数据，Unsafe 类存在于sun.misc 包中，其内部方法操作可以像 C 指针一样直接操作内存，因为 Java 中的 CAS 操作的执行依赖于 Unsafe 类的方法。

注意：Unsafe 类的所有方法都是 native 修饰的，也就是说 Unsafe 类中的方法都直接调用操作系统底层资源执行相应的任务。

为什么 Atomic 修饰的包装类，能够保证原子性，依靠的就是底层的 Unsafe 类。关于 Atomic 相关的包装类详细介绍可以参见《JUC之Atomic原子类》。

变量 valueOffset：

表示该变量值在内存中的偏移地址，因为 Unsafe 就是根据内存偏移地址获取数据的。

从这里我们可以看到，通过 valueOffset，直接通过内存地址，获取到值，然后进行加 1 操作。

变量 value 用 volatile 修饰：

保证了多线程之间的内存可见性。

var5：就是我们从主内存中拷贝到工作内存中的值。

那么操作的时候，需要比较工作内存中的值，和主内存中的值进行比较。

假设执行 compareAndSwapInt 返回 false，那么就一直执行 while 方法，直到期望的值和真实值一样

val1：AtomicInteger 对象本身。
var2：该对象值得引用地址。
var4：需要变动的数量。
var5：用 var1 和 var2 找到的内存中的真实值
- 用该对象当前的值与 var5 比较；
- 如果相同，更新 var5 + var4 并返回 true；
- 如果不同，继续取值然后再比较，直到更新完成。

这里没有用 synchronized，而用 CAS，这样提高了并发性，也能够实现一致性，是因为每个线程进来后，进入的 do while 循环，然后不断的获取内存中的值，判断是否为最新，然后在进行更新操作。

假设线程A和线程B同时执行getAndInt操作（分别跑在不同的CPU上）：

AtomicInteger 里面的 value 原始值为3，即主内存中 AtomicInteger 的 value 为3，根据 JMM模型，线程 A 和线程 B 各自持有一份价值为3的副本，分别存储在各自的工作内存；
线程 A 通过 getIntVolatile(var1, var2) 拿到 value 值3，这时线程 A 被挂起（该线程失去 CPU 执行权）；
线程 B 也通过 getIntVolatile(var1, var2) 方法获取到 value 值也是3，此时刚好线程 B 没有被挂起，并执行了 compareAndSwapInt 方法，比较内存的值也是3，成功修改内存值为4，线程 B 打完收工，一切OK；
这时线程 A 恢复，执行 CAS 方法，比较发现自己手里的数字3和主内存中的数字4不一致，说明该值已经被其它线程抢先一步修改过了，那么 A 线程本次修改失败，只能够重新读取后再来一遍了，也就是在执行 do while；
线程 A 重新获取 value 值，因为变量 value 被 volatile 修饰，所以其它线程对它的修改，线程 A 总能够看到，线程 A 继续执行 compareAndSwapInt 进行比较替换，直到成功。

Unsafe 类 + CAS 思想：也就是自旋，自我旋转。

2.3. 底层汇编

Unsafe 类中的 compareAndSwapInt 是一个本地方法，该方法的实现位于 unsafe.cpp 中：

先想办法拿到变量 value 在内存中的地址；
通过 Atomic::cmpxchg 实现比较替换，其中参数 X 是即将更新的值，参数 e 是原内存的值。

2.4. ABA 问题

假设两个线程 T1 和 T2 访问同一个变量 V，当 T1 访问变量 V 时，读取到 V 的值为 A；此时线程 T1 被抢占了，T2 开始执行，T2 先将变量 V 的值从 A 变成 B，然后又将变量 V 的值从 B 变成A；此时 T1 又抢占了主动权，继续执行，它发现 V 的值还是 A，以为没有变化，所以就继续执行了。这个过程中，变量 V 从 A 变为 B，再由 B 变为 A 就形象地称为 ABA 问题。