并发专题——CAS | No Pain AnyMore

并发专题——CAS

2020-01-03| Java 并发

CAS作为经典的无锁并发技术，很多底层的并发技术都依赖其实现。本文将介绍其思想以及在Java中的应用。

CAS设计思想

CAS是典型的乐观锁实现，乐观锁认为自己在使用数据的时候不会有其他的线程修改数据，在修改数据的时候判断是否有别的线程更新了数据，如果没有被修改则执行当前线程的写入或者更新操作，否则将根据不同的实现方式进行重试或者报错。

为什么会使用无锁呢？是因为悲观锁在使用时需要加锁、切换上下文、释放锁等操作，这些操作在锁竞争激烈的情况下，会导致CPU将大量的时间消耗在对锁的操作上，效率很低。

什么是CAS

CAS——Compare and Swap，顾名思义比较并交换。涉及到的参数有三个内存中的当前值，旧的期望值，想要设置的新值，只有在内存当前值与期望值相等时，才能用新值替换内存中的值。

当前的CPU提供CAS指令例如“cmpxchg”，是线程安全的。

CAS在Java中的运用

CAS在Java中的实现依靠Unsafe类，其中包含以下三个方法。

public final native boolean compareAndSwapObject(Object var1, long var2, Object var4, Object var5);

public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);

public final native boolean compareAndSwapLong(Object var1, long var2, long var4, long var6);

以compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5)为例：

var1：值所在的对象
var2：内存偏移量
var4：期望值
var5：新值

该方法通过var1和var2定位并获取当前的内存值，与var4进行比较，如果相等则使用var5写入替换原值。

在Java中AtomicInteger应用了上述的方法实现了int类型变量线程安全的更新，常用来作为多线程中的计数。

以incrementAndGet为例：

AtomicInteger：

public final int incrementAndGet() {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
}

Unsafe：

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;
}

incrementAndGet方法是将当前AtomicInteger加一的操作通过调用Unsafe#getAndAddInt。getAndAddInt通过getIntVolatile方法获取内存当前的值，调用compareAndSwapInt对var1与var2决定的内存值与var5进行比较，相等则将内存值修改为var5 + var4，否则循环这个过程知道成功，返回var5。

CAS面临的问题

自旋

CAS依赖CPU自旋来实现，当修改值的线程过多的情况下，CAS操作失败的概率将会增大，导致CPU一直出于循环处理的状态，造成很大的开销。

ABA

什么是ABA问题呢？CAS操作需要在操作之前检查值是否被修改，但却无法感知这个值是怎样被修改的，一个值A被修改成B再被修改成A，CAS是无法感知这个过程的，CAS检查时认为值没有发生变化，但实际上却发生了。

CAS如何解决呢？增加版本号，每次操作把版本号加一更新。

只能保证一个共享变量的修改

CAS只能保证对一个变量操作的原子性。JDK5提供了AtomicReference来保证对象的原子性，可以将多个值封装成一个对象来实现对多个变量的原子性操作。

参考资料

https://tech.meituan.com/2018/11/15/java-lock.html
https://blog.biezhi.me/2019/01/head-first-cas.html
https://juejin.im/post/5c021da16fb9a049e65ffcbf
https://juejin.im/post/5c87afa06fb9a049f1550b04