Java CAS

发表于 更新于 分类于

CAS 的全称为 Compare-And-Swap（对比交换）。是一条 CPU 的原子指令，其作用是让 CPU 先进行比较两个值是否相等，然后原子地更新某个位置的值。其实现方式是基于硬件平台的汇编指令，就是说 CAS 是靠硬件实现的，JVM 只是封装了汇编调用，那些以 Atomic 开头的类便是使用了这些封装后的接口。

CAS 操作包含三个操作数 — 内存值、预期值和新值。执行 CAS 操作的时候，将内存值与预期值比较，只有在两者相等时才会对内存中的值进行修改，否则不做任何操作。

CAS 是在保证性能的同时提供并发场景下的线程安全性。在 Java 中 CAS 实现位于 sun.misc.Unsafe 类中，CAS 常用的有以下几个方法：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
public final int getAndSetInt(Object o, long offset, int newValue) {
    int v;
    do {
        v = getIntVolatile(o, offset);
    } while (!compareAndSwapInt(o, offset, v, newValue));
    return v;
}

public final int getAndAddInt(Object o, long offset, int delta) {
    int v;
    do {
        v = getIntVolatile(o, offset);
    } while (!compareAndSwapInt(o, offset, v, v + delta));
    return v;
}

public native boolean compareAndSwapInt(Object obj, long offset, int expectedValue, int newValue);

public native boolean compareAndSwapObject(Object obj, long offset, Object expectedValue, Object newValue);
  • obj: 目标操作对象
  • offset: 目标操作数内存偏移地址
  • expectedValue: 期望值
  • newValue: 更新值

自旋锁是利用 CAS 而设计的一种应用层面的锁。如下代码：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
// 0代表锁释放，1代表锁被占用
int lock = 0;
while(true){
    if(lock==0){
        int lock_ ;
        if(U.compareAndSwapInt(this,lock_,0,1)){
            // 获取锁后的逻辑处理

            // 最后释放锁
            lock = 0;
            break;
        }
    }
}

实现线程安全的方式可以分为三类:

  1. 互斥同步: synchronized 和 ReentrantLock；
  2. 非阻塞同步: CAS、AtomicInteger 等原子类；
  3. 无同步方案: 栈封闭、Thread Local、只读变量;

CAS 的问题

CAS 方式为乐观锁，synchronized 为悲观锁。使用 CAS 解决并发问题通常情况下性能更优。但也存在如下几个问题：

1. ABA 问题:

因为 CAS 需要在操作值的时候，检查值有没有发生变化，没有发生变化则更新，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 进行检查时则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。在变量前面追加上版本号，每次变量更新的时候把版本号加一，那么 A－B－A 就会变成 1A - 2B－3A。

也可以使用 JDK 的 atomic 包里提供的 AtomicStampedReference 来解决。
通过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。

2. 循环时间长开销大:

3. 只能保证一个共享变量的原子操作:

JDK 提供了 AtomicReference 类来保证引用对象之间的原子性，就可以把多个变量放在同一个对象里来进行 CAS 操作。

UnSafe 类

UnSafe 类功能

参考

[1] Unsafe - openjdk
[2] JUC 原子类: CAS, Unsafe 和原子类详解
[3] Java 魔法类：Unsafe 应用解析