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Java基本功之CAS

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前言

在Java并发编程中，我们经常使用锁对竞争资源予以并发控制，以解决资源竞争的问题。但无论是使用 Lock 还是 Synchronized，随着锁机制的引入，就不可避免的带来另一个问题，也就锁与解锁时的上下文切换，线程等待 等性能问题。现在回过头来看，在有些场景中，是否真的需要引入锁才能解决竞争资源共享问题？答案是否定的，在JDK源码中，也为我们实现了。就是今天要介绍的另外一种无锁方案-CAS，它大量应用于JUC 包中，也是atomic包中各类的底层原理，其重要行可想而知。

CAS 简介

CAS 全称为：Compare And Swap (比较与替换)，其核心思想是：将内存值 Value 与期望值 A 进行比较，如果两者相等，则将其设置为新值 B，否则不进行任何操作。CAS操作非常高效，在我看来，其原因有二，其一：底层调用的是 sun.misc.Unsafe 类，操作的是内存值，非常高效。其二：在多线程环境下，始终只有一个线程获得执行权，未获得执行权的线程并不会挂起而造成阻塞，而是以操作CAS失败后再次执行CAS操作，直至成功，这一个过程，在Java中称之为 “自旋”。

源码解析

Java 中 CAS 应用的十分广泛，幕后英雄是sun.misc.Unsafe 类，单独看Unsafe类的CAS操作可能有些茫然，以我们熟悉的 AtomicInteger 类中的 compareAndSet 方法为引子，再分析到 Unsafe类可能会更好些。下面为AtomicInteger 类中 compareAndSet 方法的源码，如下所述：

public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update)}

方法入参中 expect 为期望值，update 为待更新值。继续往下看，compareAndSet 方法内部使用到的是Unsafe.compareAndSwapInt()方法，如下所述：

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

方法入参有四个，其中：

  1. Object var1 为对象。

  2. long var2 为 var1 对象的内存地址。

  3. int var4 为 内存地址 中的期望值。

  4. var5 为 待更新的值。

在Unsafe类中，同类的方法有以下几个：

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

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

其实 Unsafe 类还给我们提供了一系列底层的API，由于篇幅原因，就不再展开说明，下次放单独一篇文章中谈谈。

ABA 问题

在 CAS 中有一个特别经典的问题，也就是ABA。它说的是：内存值 Value 与期望值 A 进行比较前，Value已经发生过变化了，只不过是其变化后的值也为Value。从而造成从结果上看，其结果一致是一致的，（多发生于多线程条件下）当然这也是符合CAS 条件的。在大多数场景下，我们并不需要关心这种场景，在需要关心时，我们也可以使用JDK为我们提供了实现类 - AtomicStampedReference。在AomicStampedReference 类中，引入了标记位的概念，用于标记value值是否被修改过。结合value值 + 标记位是否一致，来判断value值是否修改过。其源码如下：

public boolean compareAndSet(V  expectedReference, // 期望引用对象
                                 V newReference,    // 新的引用对象
                                 int expectedStamp, //期望标志位
                                 int newStamp)  // 新的标识位
        Pair current = pair;  // 获取对象与标识引用对
        return
            expectedReference == current.reference &&   // 期望对象引用是否等于当前引用对象 (是否发生变化)
            expectedStamp == current.stamp&&      // 期望stamp 是否等于当前stamp
            ((newReference == current.reference &&   //新的引用对象是否等于当前引用对象，新的stamp是否等于当前stamp
              newStamp == current.stamp) ||
             casPair(current, Pair.of(newReference, newStamp)));  //进行pair 的cas操作
    }

其中 pair 为 对象引用与版本标记对象，其源码如下：

private static class Pair {
        final T reference;
        final int stamp;
        private Pair(T reference, int stamp) {
            this.reference = reference;
            this.stamp = stamp;
        }
        static  Pair of(T reference, int stamp) {
            return new Pair(reference, stamp);
        }
    }

结语

在Java 中 CAS 应用的十分广泛，包括但不限于：atomic，synchorized 底层原理等等。但需要明确的是 CAS 的存在并不是用来替换 lock 的，而是一种互补的关系。平常都在写业务代码，没有更深层次的查看源码，当查看源码时，却又是一件趣事，蛮好的！

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