Java中CAS 基本实现原理

一、前言

了解CAS,首先要清楚JUC,那么什么是JUC呢？JUC就是java.util.concurrent包的简称。它有核心就是CAS与AQS。CAS是java.util.concurrent.atomic包的基础，如AtomicInteger、AtomicBoolean、AtomicLong等等类都是基于CAS。

什么是CAS呢？全称Compare And Swap，比较并交换。CAS有三个操作数，内存值V，旧的预期值E，要修改的新值N。当且仅当预期值E和内存值V相同时，将内存值V修改为N，否则什么都不做。

二、实例

如果我们需要对一个数进行加法操作，应该怎样去实现呢？我们模拟多个线程情况下进行操作。

ThreadDemo.java 实现一个Runnable接口

package com.spring.security.test;

public class ThreadDemo implements Runnable {

	private int count = 0;

	@Override
	public void run() {
		for (int i = 0; i < 100; i++) {
			addCount();
		}
	}

	private void addCount() {
		count++;
	}

	public int getCount() {
		return count;
	}
}

ThreadTest.java 创建线程池，提交10个线程执行，预期结果应该是1000

package com.spring.security.test;

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class ThreadTest {
	public static void main(String[] args) {
		ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(10);
		ThreadDemo threadDemo = new ThreadDemo();
		for (int i = 0; i < 10; i++) {
			threadPool.submit(threadDemo);
		}
        threadPool.shutdown();
		System.out.println(threadDemo.getCount());
	}
}

运行结果：874 或其他，与预期结果不符合。

执行出来的结果并不是想象中的结果。这是为什么呢？这跟线程的执行过程有关。

所以我们需要在改变count，将值从高速缓冲区刷新到主内存后，让其他线程重新读取主内存中的值到自己的工作内存。

此时可以用volatile关键字。它的作用是保证对象在内存中的可见性。

修改ThreadDemo中的count字段

private volatile int count = 0;

此时执行结果：900 或其他，与预期结果不符合。

此时还是并未得出正确执行结果。为什么？听我细细道来。

线程安全主要体现在三个方面：

• 原子性：提供了互斥访问，同一时刻只能有一个线程对它进行操作
• 可见性：一个线程对主内存的修改可以及时的被其他线程观察到
• 有序性：一个线程观察其他线程中的指令执行顺序，由于指令重排序的存在，该观察结果一般杂乱无序

目前可见性已经实现了，缺少原子性的操作，因为同一时刻，多个线程对其操作，会将改动后的最新值读取到自己的工作内存进行操作，最终只能得到后一个执行线程操作的结果，所以相当于少了一步操作，就会造成数据的不一致。

此时可以使用JUC的Atomic包下面的类来进行操作。

​

Atomic类是使用CAS+volatile来实现原子性与可见性的。

我们来改造一下TheadDemo.java中的实现方法

package com.spring.security.test;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class ThreadDemo implements Runnable {

	private AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);

	@Override
	public void run() {
		for (int i = 0; i < 100; i++) {
			// 递增
			count.getAndIncrement();
		}
	}

	public int getCount() {
		return count.get();
	}
}

执行结果： 1000，符合预期值。

接下来我们来分析一下AtomicInteger类的源码：

private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
private static final long valueOffset;

static {
    try {
        valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
            (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
    } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}

private volatile int value;

Unsafe类是不安全的类，它提供了一些底层的方法，我们是不能使用这个类的。AtomicInteger的值保存在value中，而valueOffset是value在内存中的偏移量，利用静态代码块使其类一加载的时候就赋值。value值使用volatile，保证其可见性。

    /**
     * Atomically increments by one the current value.
     *
     * @return the previous value
     */
    public final int getAndIncrement() {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
    }

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;
}

var1表示当前对象，var2表示value在内存中的偏移量，var4为增加的值。var5为调用底层方法获取value的值

compareAndSwapInt方法通过var1和var2获取当前内存中的value值，并与var5进行比对，如果一致，就将var5+var4的值赋给value,并返回true,否则返回false

由do while语句可知，如果这次没有设置进去值，就重复执行此过程。这一过程称为自旋。

compareAndSwapInt是JNI(Java Native Interface)提供的方法，可以是其他语言写的。

三、与synchronized比较

使用synchronized进行加法：

package com.spring.security.test;

public class ThreadDemo implements Runnable {

	private int count = 0;

	@Override
	public void run() {
		for (int i = 0; i < 100; i++) {
			// 递增
			synchronized (ThreadDemo.class) {
				count++;
			}
		}
	}

	public int getCount() {
		return count;
	}
}

运行结果： 1000，符合预期值。

使用synchronized和AtomicInteger都能得到预期结果，但是他们之间各有什么劣势呢？

synchronized是重量级锁，是悲观锁，就是无论你线程之间发不发生竞争关系，它都认为会发生竞争，从而每次执行都会加锁。

在并发量大的情况下，如果锁的时间较长，那将会严重影响系统性能。

CAS操作中我们可以看到getAndAddInt方法的自旋操作，如果长时间自旋，那么肯定会对系统造成压力。而且如果value值从A->B->A,那么CAS就会认为这个值没有被操作过，这个称为CAS操作的"ABA"问题。