CAS入门及ABA问题解决

文章主线

CAS----Unsafe类----CAS底层思想----ABA问题----原子引用更新----ABA问题的规避

什么是CAS?

CAS(CompareAndSwap)：比较并交换，是一条CPU并发原语

详述：判断内存某个位置的值是否为预期值，如果是则更新值，否则返回false，这个过程是原子的，底层靠UnSafe类来保证原子性；

并发原语体现在Unsafe中的各个方法，调用Unsafe类中的CAS方法，完全依赖于硬件的功能，通过它实现了原子操作

一般应用：循环判断预期值和主存中值直到相等(更新完成)

什么是原语(操作系统)?

原语：由若干条指令组成，用于完成某个功能的一个过程，并且执行过程必须连续，不允许被中断，也就是说CAS是一条CPU的原子指令，不会造成数据不一致性问题

源码解析

过程描述：先比较(用期望值先和主内存中值进行比较，若结果为true（自己修改之前别人未修改)，此时更新值 若比较返回false，则放弃修改 调用过程：用户程序----调用compareAndSet(原子类)----compareAndSwap***(Unsafe类）

AtomicInteger(原子整型类的成员方法实现) public final boolean compareAndSet(int expect, int update) { return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect,update); } //测试 public static void main(String[] args) { AtomicInteger f=new AtomicInteger(100); System.out.println(f.compareAndSet(100,99)+" "+f.get()); System.out.println(f.compareAndSet(100,101)+" "+f.get()); } 运行结果:true 99 false 99 分析:线程1和线程2同时从主存中拿到f(100),线程1首先将f更新为99，线程2此时发现值已被更新，则放弃更新f

CAS底层原理

public static void main(String[] args) { AtomicInteger f=new AtomicInteger(100); } public class AtomicInteger{//(原子整型类的源码) private volatile int value; public AtomicInteger(int initialValue) { value = initialValue; } public final int getAndAdd(int d) { return Unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, d); } } class UnSafe{//JVM运行时jar包中 public final int getAndAddInt(Object var1,long var2,int var4) { //先存主存中获取值，然后比较并交换(即更新值) int var5; do { var5=this.getIntVolatile(var1,var2); }while(!this.compareAndSwapInt(var1,var2,var5,var5+var4)); return var5; } } 过程分析: var1(this):AtomicInteger对象本身 var2(valueOffset):该对象值的引用地址(内存偏移量) var4(d):需要变动的num var5(期望值):通过var1,var2获取的主存中的值 ----------假设其他线程也正在修改此值--------------- 通过对比期望值与当前与现在主存中的值 若为true,则更新 否则,循环获取期望值,直至更新成功

情景描述

Unsafe类介绍

来源：JVM的rt运行jar包中， 描述：所有方法大部分都是native修饰的，调用操作系统的底层资源执行相应的任务)，是CAS的核心类，Java对底层无能为力，需要通过本地native方法来访问，Unsafe相当于一个后门，基于Unsafe类的内部方法可以直接操作特定内存中的数据，因此Java中CAS操作的执行依赖于Unsafe中的方法

CAS是比较并交换，凭什么可以保证原子性？

靠的是Unsafe类，因为Unsafe根据内存地址直接操作数据所以可保证原子性

CAS与synchronized

synchronized：一致性得到保证，但是并发性下降 CAS：一致性、并发性得到保证

不足之处： 1、若CAS失败，则会一直尝试，CPU开销很大 2、当对一个共享变量执行操作时，可使用循环CAS的方式来保证原子操作，有多个共享变量需考虑加锁 3、引出ABA问题

什么是原子类的ABA问题?

ABA问题： CAS算法实现的重要前提是取出内存中某时刻的数据并在当下时刻 比较并交换，那么在这个 时间差 内数据可能会发生 多次变化 情景举例： 线程1从内存中取出A，这时候线程2也从内存中取出A，并且线程2进行了一些操作将值变成了B，然后线程2又将值改回了A，这时候线程1进行CAS操作发现内存中依然是A，然后线程1操作成功

原子更新引用(原子引用类更新值)

//AtomicReference是一个泛型类 public static void main(String[] args) { User u1=new User("张三",21); User u2=new User("李四",22); AtomicReference<User> a=new AtomicReference<>(); a.set(u1); System.out.println(a.compareAndSet(u1, u2)+" "+a.get().toString()); System.out.println(a.compareAndSet(u1, u2)+" "+a.get().toString()); } 结果分析: true [name:李四,age:22] false [name:李四,age:22]

ABA问题的解决？

原子引用+版本号机制(类似于时间戳) jdk实现的带时间戳的原子引用AtomicStampedReference，在每次更新时要判断期望值和版本号两者是否都未发生变化