深入理解CAS底层实现-白红宇

深入理解CAS底层实现

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发布时间：2019-05-10

本文共 2642 字，大约阅读时间需要 8 分钟。

什么是CAS:

CAS:Compare And Swap (Compare And Exchange) / 自旋 / 自旋锁 / 无锁 ,因为经常配合循环操作，直到完成为止，所以泛指一类操作。让我们看看下面这张图：

CAS 操作包含三个操作数 —— 内存位置（V）、预期原值（A）和新值(B)。如果内存位置的值与预期原值相匹配，那么处理器会自动将该位置值更新为新值。否则，处理器不做任何操作。无论哪种情况，它都会在 CAS 指令之前返回该位置的值。

CAS底层实现

现在让我们跟着源码一步步看看CAS操作是如何实现的呢

AtomicInteger:public final int incrementAndGet() {
           for (;;) {
               int current = get();            int next = current + 1;            if (compareAndSet(current, next))                return next;        }    }public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
           return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);    }Unsafe:public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);

再跟进到hotspot源码:

jdk8u: unsafe.cpp:UNSAFE_ENTRY(jboolean, Unsafe_CompareAndSwapInt(JNIEnv *env, jobject unsafe, jobject obj, jlong offset, jint e, jint x))  UnsafeWrapper("Unsafe_CompareAndSwapInt");  oop p = JNIHandles::resolve(obj);  jint* addr = (jint *) index_oop_from_field_offset_long(p, offset);  //cmpxchg = compare and exchange  return (jint)(Atomic::cmpxchg(x, addr, e)) == e;UNSAFE_END

jdk8u: atomic_linux_x86.inline.hppinline jint     Atomic::cmpxchg    (jint     exchange_value, volatile jint*     dest, jint     compare_value) {
     //is_MP = Multi Processor  ，  int mp = os::is_MP();  //assembly汇编语言  //MP(multi processors)多处理器  __asm__ volatile (LOCK_IF_MP(%4) "cmpxchgl %1,(%3)"                    : "=a" (exchange_value)                    : "r" (exchange_value), "a" (compare_value), "r" (dest), "r" (mp)                    : "cc", "memory");  return exchange_value;}

可以看到CAS操作在底层有一条对应的汇编指令，硬件直接支持。LOCK_IF_MP，如果是多个CPU，前面还要加一条LOCK指令，本身cmpxchg指令是没有原子性的，在多个cpu执行时，加上LOCK指令就是保证一个CPU执行后面的empxchg指令时，其他CPU不能执行。在硬件层，LOCK指令在执行后面指令的时候锁定一个北桥信号（不采用锁总线方式）。所以CAS最终实现就是lock cmpxchg指令。

CAS存在的问题

1.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。

从Java1.5开始JDK的atomic包里提供了一个类AtomicStampedReference来解决ABA问题。这个类的compareAndSet方法作用是首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。

2.循环时间长开销大。自旋CAS如果长时间不成功，会给CPU带来非常大的执行开销。如果JVM能支持处理器提供的pause指令那么效率会有一定的提升，pause指令有两个作用，第一它可以延迟流水线执行指令（de-pipeline）,使CPU不会消耗过多的执行资源，延迟的时间取决于具体实现的版本，在一些处理器上延迟时间是零。第二它可以避免在退出循环的时候因内存顺序冲突（memory order violation）而引起CPU流水线被清空（CPU pipeline flush），从而提高CPU的执行效率。

3.只能保证一个共享变量的原子操作。当对一个共享变量执行操作时，我们可以使用循环CAS的方式来保证原子操作，但是对多个共享变量操作时，循环CAS就无法保证操作的原子性，这个时候就可以用锁，或者有一个取巧的办法，就是把多个共享变量合并成一个共享变量来操作。比如有两个共享变量i＝2,j=a，合并一下ij=2a，然后用CAS来操作ij。从Java1.5开始JDK提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性，你可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作。

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