CAS技术之底层原理

一、什么是CAS

CAS的全称为Compare-And-Swap ,它是一条CPU并发原语.
它的功能是判断内存某个位置的值是否为预期值,如果是则更新为新的值,这个过程是原子的.
 
CAS并发原语提现在Java语言中就是sun.miscUnSafe类中的各个方法.调用UnSafe类中的CAS方法,JVM会帮我实现CAS汇编指令.这是一种完全依赖于硬件 功能,通过它实现了原子操作,再次强调,由于CAS是一种系统原语,原语属于操作系统用于范畴,是由若干条指令组成,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中断,也即是说CAS是一条原子指令,不会造成所谓的数据不一致的问题.

在Java发展初期，java语言是不能够利用硬件提供的这些便利来提升系统的性能的。而随着java不断的发展,Java本地方法(JNI或JNA)的出现，使得java程序越过JVM直接调用本地方法提供了一种便捷的方式，因而java在并发的手段上也多了起来。而在Doug Lea提供的cucurenct包中，CAS理论是它实现整个java包的基石。

CAS 操作包含三个操作数 —— 内存位置（V）、预期原值（A）和新值(B)。 如果内存位置的值与预期原值相匹配，那么处理器会自动将该位置值更新为新值 。否则，处理器不做任何操作。无论哪种情况，它都会在 CAS 指令之前返回该 位置的值。（在 CAS 的一些特殊情况下将仅返回 CAS 是否成功，而不提取当前 值。）CAS 有效地说明了“我认为位置 V 应该包含值 A；如果包含该值，则将 B 放到这个位置；否则，不要更改该位置，只告诉我这个位置现在的值即可。”

通常将 CAS 用于同步的方式是从地址 V 读取值 A，执行多步计算来获得新 值 B，然后使用 CAS 将 V 的值从 A 改为 B。如果 V 处的值尚未同时更改，则 CAS 操作成功。

类似于 CAS 的指令允许算法执行读-修改-写操作，而无需害怕其他线程同时 修改变量，因为如果其他线程修改变量，那么 CAS 会检测它（并失败），算法 可以对该操作重新计算。

代码示例1 -- atomicInteger

[code]/**
* Description
* @date 2019-04-12 9:57
* 1.什么是CAS ? ===> compareAndSet
*  比较并交换
**/
public class CASDemo {
public static void main(String[] args) {
AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(5);
System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(5, 2019)+"\t current"+atomicInteger.get());
System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(5, 2014)+"\t current"+atomicInteger.get());
}
}

代码示例2 -- 原子引用

[code]@Getter@Setter@AllArgsConstructor@ToString
class User{
private String name;
private int age;
}
public class AtomicReferenceDemo {
public static void main(String[] args) {
User zs = new User("zs", 22);
User ls = new User("ls", 22);
AtomicReference<User> userAtomicReference = new AtomicReference<>();

userAtomicReference.set(zs);

// 第一次比较交换成功，因为主内存中的值跟期望值一致（zs == zs）

System.out.println(userAtomicReference.compareAndSet(zs,ls)+"\t"+userAtomicReference.get().toString());

// 第二次比较交换失败，因为主内存中的值跟期望值不一致（ls != zs）

System.out.println(userAtomicReference.compareAndSet(zs,ls)+"\t"+userAtomicReference.get().toString());
}
}

sun.miscUnSafe类：

1.UnSafe
 是CAS的核心类 由于Java 方法无法直接访问底层 ,需要通过本地(native)方法来访问,UnSafe相当于一个后面,基于该类可以直接操作特额定的内存数据.UnSafe类在于sun.misc包中,其内部方法操作可以向C的指针一样直接操作内存,因为Java中CAS操作的助兴依赖于UNSafe类的方法.
注意UnSafe类中所有的方法都是native修饰的,也就是说UnSafe类中的方法都是直接调用操作底层资源执行响应的任务
 2.变量ValueOffset,便是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

 3.变量value和volatile修饰,保证了多线程之间的可见性.

二、CAS的目的

利用CPU的CAS指令，同时借助JNI来完成Java的非阻塞算法。其它原子操作都是利用类似的特性完成的。而整个J.U.C都是建立在CAS之上的，因此对于synchronized阻塞算法，J.U.C在性能上有了很大的提升。

三、CAS存在的问题 -- 虽然很高效的解决原子操作，但是CAS仍然存在三大问题。

 - 1、ABA问题：当你获得对象当前数据后，在准备修改为新值前，对象的值被其他线程连续修改了两次，而经过两次修改后，对象的值又恢复为旧值，这样当前线程无法正确判断这个对象是否修改过
        解决办法：JDK1.5可以利用类AtomicStampedReference来解决这个问题，AtomicStampedReference内部不仅维护了对象值，还维护了一个时间戳。当AtomicStampedReference对应的数值被修改时，除了更新数据本身外，还必须要更新时间戳，对象值和时间戳都必须满足期望值，写入才会成功

[code]/**
* Description: ABA问题的解决
*
* @author veliger@163.com
* @date 2019-04-12 21:30
**/
public class ABADemo {
private static AtomicReference<Integer> atomicReference=new AtomicReference<>(100);
private static AtomicStampedReference<Integer> stampedReference=new AtomicStampedReference<>(100,1);
public static void main(String[] args) {
System.out.println("===以下是ABA问题的产生===");
new Thread(()->{
atomicReference.compareAndSet(100,101);
atomicReference.compareAndSet(101,100);
},"t1").start();

new Thread(()->{
//先暂停1秒 保证完成ABA
try { TimeUnit.SECONDS.sleep(1); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }
System.out.println(ato
2145f
micReference.compareAndSet(100, 2019)+"\t"+atomicReference.get());
},"t2").start();
try { TimeUnit.SECONDS.sleep(2); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }
System.out.println("===以下是ABA问题的解决===");

new Thread(()->{
int stamp = stampedReference.getStamp();
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t 第1次版本号"+stamp+"\t值是"+stampedReference.getReference());
//暂停1秒钟t3线程
try { TimeUnit.SECONDS.sleep(1); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }

stampedReference.compareAndSet(100,101,stampedReference.getStamp(),stampedReference.getStamp()+1);
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t 第2次版本号"+stampedReference.getStamp()+"\t值是"+stampedReference.getReference());
stampedReference.compareAndSet(101,100,stampedReference.getStamp(),stampedReference.getStamp()+1);
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t 第3次版本号"+stampedReference.getStamp()+"\t值是"+stampedReference.getReference());
},"t3").start();

new Thread(()->{
int stamp = stampedReference.getStamp();
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t 第1次版本号"+stamp+"\t值是"+stampedReference.getReference());
//保证线程3完成1次ABA
try { TimeUnit.SECONDS.sleep(3); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }
boolean result = stampedReference.compareAndSet(100, 2019, stamp, stamp + 1);
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t 修改成功否"+result+"\t最新版本号"+stampedReference.getStamp());
System.out.println("最新的值\t"+stampedReference.getReference());
},"t4").start();
}

 - 2、循环时间长开销大。自旋CAS如果长时间不成功，会给CPU带来非常大的执行开销。

         解决办法：JVM支持处理器提供的pause指令，使得效率会有一定的提升，pause指令有两个作用，第一它可以延迟流水线执行指令,使CPU不会消耗过多的执行资源，第二它可以避免在退出循环的时候因内存顺序冲突（memory order violation）而引起CPU流水线被清空（CPU pipeline flush），从而提高CPU的执行效率。
 - 3、只能保证一个共享变量的原子操作。当对一个共享变量执行操作时，我们可以使用循环CAS的方式来保证原子操作，但是对多个共享变量操作时，循环CAS就无法保证操作的原子性，这个时候就可以用锁来保证原子性。
         解决办法：从Java1.5开始JDK提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性，你可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作。

四、concurrent包的实现

由于java的CAS同时具有 volatile 读和volatile写的内存语义，因此Java线程之间的通信现在有了下面四种方式：

A线程写volatile变量，随后B线程读这个volatile变量。
A线程写volatile变量，随后B线程用CAS更新这个volatile变量。
A线程用CAS更新一个volatile变量，随后B线程用CAS更新这个volatile变量。
A线程用CAS更新一个volatile变量，随后B线程读这个volatile变量。
Java的CAS会使用现代处理器上提供的高效机器级别原子指令，这些原子指令以原子方式对内存执行读-改-写操作，这是在多处理器中实现同步的关键（从本质上来说，能够支持原子性读-改-写指令的计算机器，是顺序计算图灵机的异步等价机器，因此任何现代的多处理器都会去支持某种能对内存执行原子性读-改-写操作的原子指令）。同时，volatile变量的读/写和CAS可以实现线程之间的通信。把这些特性整合在一起，就形成了整个concurrent包得以实现的基石。如果我们仔细分析concurrent包的源代码实现，会发现一个通用化的实现模式：

首先，声明共享变量为volatile；
然后，使用CAS的原子条件更新来实现线程之间的同步；
同时，配合以volatile的读/写和CAS所具有的volatile读和写的内存语义来实现线程之间的通信。
AQS，非阻塞数据结构和原子变量类（java.util.concurrent.atomic包中的类），这些concurrent包中的基础类都是使用这种模式来实现的，而concurrent包中的高层类又是依赖于这些基础类来实现的。从整体来看，concurrent包的实现示意图如下：