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原理剖析（第 004 篇）CAS工作原理分析

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摘要：原理剖析第篇工作原理分析一大致介紹關(guān)于多線程競(jìng)爭(zhēng)鎖方面，大家都知道有個(gè)和，也正是這兩個(gè)東西才引申出了大量的線程安全類(lèi)，鎖類(lèi)等功能而隨著現(xiàn)在的硬件廠商越來(lái)越高級(jí)，在硬件層面提供大量并發(fā)原語(yǔ)給我們層面的開(kāi)發(fā)帶來(lái)了莫大的利好本章節(jié)就和大家分享分

原理剖析（第 004 篇）CAS工作原理分析

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一、大致介紹 
1、關(guān)于多線程競(jìng)爭(zhēng)鎖方面，大家都知道有個(gè)CAS和AQS，也正是這兩個(gè)東西才引申出了大量的線程安全類(lèi)，鎖類(lèi)等功能；
2、而隨著現(xiàn)在的硬件廠商越來(lái)越高級(jí)，在硬件層面提供大量并發(fā)原語(yǔ)給我們Java層面的開(kāi)發(fā)帶來(lái)了莫大的利好；
3、本章節(jié)就和大家分享分析一下CAS的工作原理；
二、原理分析 2.1 何為CAS？ 
1、CAS,compare and swap的縮寫(xiě)，顧名思義，比較再交換，即 “讀取-修改-寫(xiě)操作” 三個(gè)步驟為一體原子操作；

2、CAS操作包含三個(gè)參數(shù)：內(nèi)存位置(V)、預(yù)期值(A)、新值(B)；
   如果內(nèi)存位置的值V與預(yù)期值A(chǔ)相匹配，那么處理器會(huì)自動(dòng)將該位置值更新為新值B，否則不更新；
2.2 CAS原理 
1、CAS通過(guò)JNI方式調(diào)用底層操作系統(tǒng)的C代碼，從而借助底層C代碼來(lái)調(diào)用CPU底層操作指令來(lái)實(shí)現(xiàn)原子操作；

2、CAS是硬件CPU提供的原語(yǔ)，通過(guò)底層cmpxchg原語(yǔ)指令(多處理器再加上Lock指令)實(shí)現(xiàn)原子操作；
2.3 CAS核心源碼 
1、CAS核心源碼：
// 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) // 如果是多處理器的話，則需要添加Lock前綴指令，Lock的方式和Volatile的實(shí)現(xiàn)方式雷同
    cmpxchg dword ptr [edx], ecx // 
  }
}

2、通過(guò)上述源碼可以發(fā)現(xiàn)該cmpxchg方法會(huì)自動(dòng)判斷當(dāng)前是否是多處理器，多處理器的話則添加lock前綴指令，反之省略lock前綴；

3、至于lock是怎么保證多處理器的一致性的話，原理和Volatile雷同，請(qǐng)移步看看[原理剖析（第 001 篇）Volatile工作原理分析]；
三、CAS缺點(diǎn) 3.1、ABA問(wèn)題 
1、并發(fā)操作時(shí)，容易引起ABA問(wèn)題；
   假設(shè)i初始值i=5，A線程做i++操作一次，B線程做i--操作一次，C線程通過(guò)判斷i=5時(shí)則對(duì)i進(jìn)行更新新值；

2、這個(gè)時(shí)候C線程會(huì)認(rèn)為i還是處于初始值，未被做過(guò)修改，但是殊不知AB線程已經(jīng)都對(duì)i進(jìn)行修改了一次；

3、為了解決這種線程，需要讓C知道i已經(jīng)被修改過(guò)了，因此在Java1.5引進(jìn)了一個(gè)AtomicStampedReference類(lèi)來(lái)解決ABA問(wèn)題；

4、AtomicStampedReference這個(gè)類(lèi)主要是給變量追加了版本號(hào)信息，每次變量更新的話版本號(hào)都會(huì)自增加一；

5、但是有的人會(huì)認(rèn)為AtomicMarkableReference也能解決ABA問(wèn)題，其實(shí)不能根本解決只能在最大程度上降低ABA問(wèn)題的出現(xiàn)；
   因?yàn)樗峭ㄟ^(guò)一個(gè)boolean來(lái)標(biāo)記是否更改，本質(zhì)就是只有true和false兩種版本來(lái)回切換，只能降低ABA問(wèn)題發(fā)生的幾率，并不能阻止ABA問(wèn)題的發(fā)生；
3.2、開(kāi)銷(xiāo)大 
1、隨便拿個(gè)CAS的Java層代碼：
    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、通過(guò)這段代碼發(fā)現(xiàn)，如果CAS操作一直不成功的話，那么該段代碼就一直在自旋操作，會(huì)給CPU帶來(lái)比較大的執(zhí)行開(kāi)銷(xiāo)；
3.3、原子操作約束 
1、目前的CAS只能保證單個(gè)共享變量的原子操作；

2、但是對(duì)多個(gè)變量進(jìn)行操作時(shí)，CAS無(wú)法保證，但是可以將多個(gè)變量封裝成一個(gè)新的對(duì)象，利用AtomicReference類(lèi)來(lái)保證引用對(duì)象之間的原子性；
四、總結(jié) 
1、我們可以在一些非常簡(jiǎn)單的操作且又不想引入鎖的場(chǎng)景下采用CAS實(shí)現(xiàn)原子操作；

2、然而想要進(jìn)行非阻塞的完成某些場(chǎng)景也可以考慮采用CAS進(jìn)行原子操作；

3、但是不推薦在非常復(fù)雜的操作中引入CAS，一來(lái)會(huì)使程序可讀性變差，二來(lái)且難以測(cè)試且會(huì)出現(xiàn)ABA問(wèn)題。
五、下載地址

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