java面试-CAS底层原理

一、CAS是什么？

比较并交换，它是一条CPU并发原语。

CAS是一种无锁算法，CAS有3个操作数，内存值V，旧的预期值A，要修改的新值B。当且仅当预期值A和内存值V相同时，将内存值V修改为B，否则什么都不做。

java.util.concurrent.atomic中的AtomicXXX，都使用了这些底层的JVM支持为数字类型的引用类型提供一种高效的CAS操作，在java.util.concurrent中的大多数类在实现时都直接或间接的使用了这些原子变量类。

原语属于操作系统用语范畴，是由若干条指令组成的，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问题

public class CASDemo {

    public static void main(String[] args) {
        //主物理内存的值默认是5
        AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(5);
        //如果线程的期望值与物理内存的真实值一样，就修改为更新值。
        System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(5,2019)+" current data:"+atomicInteger.get()); //t1线程的工作内存 变量的副本拷贝
        System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(5,1024)+" current data:"+atomicInteger.get()); //t2线程的工作内存 变量的副本拷贝
    }
}

二、说说CAS底层原理？谈谈你对UnSafe的理解

要点：Unsafe类（存在rt.jar中）+CAS自旋锁

• AtomicInteger的源码

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 6214790243416807050L;

    // setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updates
    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;
}

1、Unsafe类

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内存的数据。

Unsafe类存在于sun.misc包中，其内部方法操作可以像C的指针一样直接操作内存，因为Java中CAS操作执行依赖于Unsafe类。

Unsafe类中的所有方法都是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任务　　

2、变量valueOffset，表示该变量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。

//this:当前对象
//valueOffset：内存偏移量
 public final int getAndIncrement() {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
 }
//var1 AtomicInteger对象本身
//var2 该对象值的引用地址
//var4 需要变动的值
//var5 用var1 var2找出主内存中真实的值
//用该对象当前值与var5比较，如果相同，更新var5+var4返回true，如果不同，继续取值比较，直到更新完成
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;
}　　

总结：getAndIncrement()底层调用unsafe类方法，传入三个参数，unsafe.getAndAddInt() 底层使用CAS思想，如果比较成功加1，如果比较失败重新获得，再比较一次，直至成功。

3、变量value用volatile修饰，保证了多线程之间的内存可见性。

三、CAS缺点：

• 循环时间长开销大（如果CAS失败，会一直尝试）
• 只能保证一个共享变量的原子操作。（对多个共享变量操作时，循环CAS无法保证操作的原子性，只能用加锁来保证）
• 存在ABA问题

四、原子类AtomicInteger类ABA问题及解决方案

1、ABA问题是怎么产生的？

当第一个线程执行CAS(V,E,U)操作，在获取到当前变量V，准备修改为新值U前，另外两个线程已连续修改了两次变量V的值，使得该值又恢复为旧值，这样我们就无法正确判断这个变量是否已被修改过。

2、ABA问题的解决方案：

AtomicStampedReference：是一个带有时间戳的对象引用，在每次修改后，不仅会设置新值还会记录更改的时间。

AtomicMarkableReference：维护的是一个boolean值的标识，这种方式并不能完全防止ABA问题的发生，只能减少ABA发生的概率。

public class ABADemo {
    static AtomicReference<Integer> atomicReference = new AtomicReference<>(100);
    static AtomicStampedReference<Integer> atomicStampedReference = new AtomicStampedReference<>(100, 1);

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        System.out.println("========ABA问题的产生=========");
        new Thread(() -> {
            atomicReference.compareAndSet(100, 101);
            atomicReference.compareAndSet(101, 100);

        }, "t1").start();

        new Thread(() -> {
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(atomicReference.compareAndSet(100, 2019) + " " + atomicReference.get());
        }, "t2").start();
        TimeUnit.SECONDS.sleep(2);

        System.out.println("========ABA问题的解决=========");

        new Thread(() -> {
            int stamp = atomicStampedReference.getStamp();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "线程第1次版本号:" + stamp);
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            atomicStampedReference.compareAndSet(100, 101, atomicStampedReference.getStamp(), atomicStampedReference.getStamp() + 1);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "线程第2次版本号:" + atomicStampedReference.getStamp());
            atomicStampedReference.compareAndSet(101, 100, atomicStampedReference.getStamp(), atomicStampedReference.getStamp() + 1);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "线程第3次版本号:" + atomicStampedReference.getStamp());

        }, "t3").start();

        new Thread(() -> {
            int stamp = atomicStampedReference.getStamp();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "线程第1次版本号:" + stamp);
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            boolean result = atomicStampedReference.compareAndSet(100, 2019, stamp, stamp + 1);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "修改成功否:" + result + "  当前最新版本号：" + atomicStampedReference.getStamp());
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "当前最新值：" + atomicStampedReference.getReference());

        }, "t4").start();
    }
}

五、原子更新引用

public class AtomicReferenceDemo {

    public static void main(String[] args) {
        AtomicReference<User> atomicReference = new AtomicReference<>();

        User user = new User("monster", 18);
        User updateUser = new User("jack", 25);

        atomicReference.set(user);
        atomicReference.compareAndSet(user, updateUser);

        System.out.println(atomicReference.get());
    }
}

@Data
@NoArgsConstructor
@AllArgsConstructor
@ToString
class User {
    private String name;
    private int age;
}　　

getAndIncrement 详细X

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