原理剖析（第 004 篇）CAS工作原理分析

leanote 发布于2019-08-15 14:41 / 2808人阅读

摘要：原理剖析第篇工作原理分析一大致介绍关于多线程竞争锁方面，大家都知道有个和，也正是这两个东西才引申出了大量的线程安全类，锁类等功能而随着现在的硬件厂商越来越高级，在硬件层面提供大量并发原语给我们层面的开发带来了莫大的利好本章节就和大家分享分

原理剖析（第 004 篇）CAS工作原理分析

一、大致介绍

1、关于多线程竞争锁方面，大家都知道有个CAS和AQS，也正是这两个东西才引申出了大量的线程安全类，锁类等功能；
2、而随着现在的硬件厂商越来越高级，在硬件层面提供大量并发原语给我们Java层面的开发带来了莫大的利好；
3、本章节就和大家分享分析一下CAS的工作原理；

二、原理分析 2.1 何为CAS？

1、CAS,compare and swap的缩写，顾名思义，比较再交换，即 “读取-修改-写操作” 三个步骤为一体原子操作；

2、CAS操作包含三个参数：内存位置(V)、预期值(A)、新值(B)；
   如果内存位置的值V与预期值A相匹配，那么处理器会自动将该位置值更新为新值B，否则不更新；

2.2 CAS原理

1、CAS通过JNI方式调用底层操作系统的C代码，从而借助底层C代码来调用CPU底层操作指令来实现原子操作；

2、CAS是硬件CPU提供的原语，通过底层cmpxchg原语指令(多处理器再加上Lock指令)实现原子操作；

2.3 CAS核心源码

1、CAS核心源码：
// Adding a lock prefix to an instruction on MP machine
// VC++ doesn"t like the lock prefix to be on a single line
// so we can"t insert a label after the lock prefix.
// By emitting a lock prefix, we can define a label after it.
#define LOCK_IF_MP(mp) __asm cmp mp, 0  
                       __asm je L0      
                       __asm _emit 0xF0 
                       __asm L0:

inline jint     Atomic::cmpxchg    (jint     exchange_value, volatile jint*     dest, jint     compare_value) {
  // alternative for InterlockedCompareExchange
  int mp = os::is_MP();
  __asm {
    mov edx, dest
    mov ecx, exchange_value
    mov eax, compare_value
    LOCK_IF_MP(mp) // 如果是多处理器的话，则需要添加Lock前缀指令，Lock的方式和Volatile的实现方式雷同
    cmpxchg dword ptr [edx], ecx // 
  }
}

2、通过上述源码可以发现该cmpxchg方法会自动判断当前是否是多处理器，多处理器的话则添加lock前缀指令，反之省略lock前缀；

3、至于lock是怎么保证多处理器的一致性的话，原理和Volatile雷同，请移步看看[原理剖析（第 001 篇）Volatile工作原理分析]；

三、CAS缺点 3.1、ABA问题

1、并发操作时，容易引起ABA问题；
   假设i初始值i=5，A线程做i++操作一次，B线程做i--操作一次，C线程通过判断i=5时则对i进行更新新值；

2、这个时候C线程会认为i还是处于初始值，未被做过修改，但是殊不知AB线程已经都对i进行修改了一次；

3、为了解决这种线程，需要让C知道i已经被修改过了，因此在Java1.5引进了一个AtomicStampedReference类来解决ABA问题；

4、AtomicStampedReference这个类主要是给变量追加了版本号信息，每次变量更新的话版本号都会自增加一；

5、但是有的人会认为AtomicMarkableReference也能解决ABA问题，其实不能根本解决只能在最大程度上降低ABA问题的出现；
   因为它是通过一个boolean来标记是否更改，本质就是只有true和false两种版本来回切换，只能降低ABA问题发生的几率，并不能阻止ABA问题的发生；

3.2、开销大

1、随便拿个CAS的Java层代码：
    public final int getAndSetInt(Object var1, long var2, int var4) {
        int var5;
        do {
            var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
        } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var4));

        return var5;
    }

2、通过这段代码发现，如果CAS操作一直不成功的话，那么该段代码就一直在自旋操作，会给CPU带来比较大的执行开销；

3.3、原子操作约束

1、目前的CAS只能保证单个共享变量的原子操作；

2、但是对多个变量进行操作时，CAS无法保证，但是可以将多个变量封装成一个新的对象，利用AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性；

四、总结

1、我们可以在一些非常简单的操作且又不想引入锁的场景下采用CAS实现原子操作；

2、然而想要进行非阻塞的完成某些场景也可以考虑采用CAS进行原子操作；

3、但是不推荐在非常复杂的操作中引入CAS，一来会使程序可读性变差，二来且难以测试且会出现ABA问题。

五、下载地址

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