原理剖析（第 004 篇）CAS工做原理分析

原理剖析（第 004 篇）CAS工做原理分析

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1、大体介绍

一、关于多线程竞争锁方面，你们都知道有个CAS和AQS，也正是这两个东西才引伸出了大量的线程安全类，锁类等功能；
二、而随着如今的硬件厂商愈来愈高级，在硬件层面提供大量并发原语给咱们Java层面的开发带来了莫大的利好；
三、本章节就和你们分享分析一下CAS的工做原理；

2、原理分析

2.1 何为CAS？

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

二、CAS操做包含三个参数：内存位置(V)、预期值(A)、新值(B)；
   若是内存位置的值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，不然不更新；

2.2 CAS原理

一、CAS经过JNI方式调用底层操做系统的C代码，从而借助底层C代码来调用CPU底层操做指令来实现原子操做；

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

2.3 CAS核心源码

一、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) // 若是是多处理器的话，则须要添加Lock前缀指令，Lock的方式和Volatile的实现方式雷同
    cmpxchg dword ptr [edx], ecx // 
  }
}

二、经过上述源码能够发现该cmpxchg方法会自动判断当前是不是多处理器，多处理器的话则添加lock前缀指令，反之省略lock前缀；

三、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工做原理分析]；

3、CAS缺点

3.一、ABA问题

一、并发操做时，容易引发ABA问题；
   假设i初始值i=5，A线程作i++操做一次，B线程作i--操做一次，C线程经过判断i=5时则对i进行更新新值；

二、这个时候C线程会认为i仍是处于初始值，未被作过修改，可是却不知AB线程已经都对i进行修改了一次；

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

四、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长一；

五、可是有的人会认为AtomicMarkableReference也能解决ABA问题，其实不能根本解决只能在最大程度上下降ABA问题的出现；
   由于它是经过一个boolean来标记是否更改，本质就是只有true和false两种版原本回切换，只能下降ABA问题发生的概率，并不能阻止ABA问题的发生；

3.二、开销大

一、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;
    }

二、经过这段代码发现，若是CAS操做一直不成功的话，那么该段代码就一直在自旋操做，会给CPU带来比较大的执行开销；

3.三、原子操做约束

一、目前的CAS只能保证单个共享变量的原子操做；

二、可是对多个变量进行操做时，CAS没法保证，可是能够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；

4、总结

一、咱们能够在一些很是简单的操做且又不想引入锁的场景下采用CAS实现原子操做；

二、然而想要进行非阻塞的完成某些场景也能够考虑采用CAS进行原子操做；

三、可是不推荐在很是复杂的操做中引入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。

5、下载地址

https://gitee.com/ylimhhmily/SpringCloudTutorial.git

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