Java 基本功 之 CAS

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前言

  在Java并发编程中，咱们常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。但不管是使用 Lock 仍是 Synchronized，随着锁机制的引入，就不可避免的带来另外一个问题，也就锁与解锁时的上下文切换，线程等待 等性能问题。如今回过头来看，在有些场景中，是否真的须要引入锁才能解决竞争资源共享问题？答案是否认的，在JDK源码中，也为咱们实现了。就是今天要介绍的另一种无锁方案-CAS，它大量应用于JUC 包中，也是atomic包中各种的底层原理，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 与指望值 A 进行比较，若是二者相等，则将其设置为新值 B，不然不进行任何操做。CAS操做很是高效，在我看来，其缘由有二，其一：底层调用的是 sun.misc.Unsafe 类，操做的是内存值，很是高效。其二：在多线程环境下，始终只有一个线程得到执行权，未得到执行权的线程并不会挂起而形成阻塞，而是以操做CAS失败后再次执行CAS操做，直至成功，这一个过程，在Java中称之为 “自旋”。

源码解析

  Java 中 CAS 应用的十分普遍，幕后英雄是sun.misc.Unsafe 类，单独看Unsafe类的CAS操做可能有些茫然，以咱们熟悉的 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，以下所述：

1 2	public final boolean compareAndSet(int expect, int update) { return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update)}

 

方法入参中 expect 为指望值， 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，以下所述：

1	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 中的指望值。
4. var5 为 待更新的值。

在Unsafe类中，同类的方法有如下几个：

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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 类还给咱们提供了一系列底层的API，因为篇幅缘由，就再也不展开说明，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 与指望值 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。从而形成从结果上看，其结果一致是一致的，（多发生于多线程条件下）固然这也是符合CAS 条件的。在大多数场景下，咱们并不须要关心这种场景，在须要关心时，咱们也能够使用JDK为咱们提供了实现类 - AtomicStampedReference。在 AtomicStampedReference 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。
其源码以下：

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public boolean compareAndSet(V expectedReference, // 指望引用对象 V newReference, // 新的引用对象 int expectedStamp, //指望标志位 int newStamp) // 新的标识位 Pair<V> current = pair; // 获取对象与标识引用对 return expectedReference == current.reference && // 指望对象引用是否等于当前引用对象 (是否发生变化) expectedStamp == current.stamp&& // 指望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操做

 

其中 pair 为 对象引用与版本标记对象，其源码以下：

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

 

结语

  在Java 中 CAS 应用的十分普遍，包括但不限于：Atomic，synchorized 底层原理等等。但须要明确的是 CAS 的存在并非用来替换 Lock 的，而是一种互补的关系。日常都在写业务代码，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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