CAS 机制

CAS 是 Java 中 Unsafe 类里面的方法,它的全称是 CompareAndSwap,比较并交换的意思。它的主要功能是能够保证在多线程环境下,对于共享变量的修改的原子性。
举个例子,比如说有这样一个场景,有一个成员变量 state,默认值是 0,定义了一个方法 doSomething(),这个方法的逻辑是,判断 state 是否为 0 ,如果为0,就修改成 1。这个逻辑看起来没有任何问题,但是在多线程环境下,会存在原子性的问题,因为这里是一个典型的,Read - Write 的操作。一般情况下,我们会在 doSomething()这个方法上加同步锁来解决原子性问题。

java 复制代码
public class Example {
    private int state=0;
    public void doSomething(){
        if (state==0) { //多线程环境中,存在原子性问题
            state=1;
        }
    }
}

但是,加同步锁,会带来性能上的损耗,所以,对于这类场景,我们就可以使用 CAS机制来进行优化.这个是优化之后的代码如下,在 doSomething()方法中,我们调用了 unsafe 类中的compareAndSwapInt()方法来 达到同样的目的,这个方法有四个参数,分别是:当前对象实例、成员变量 state 在内存地址中的偏移量、预期值 0、期望更改之后的值 1。CAS机制会比较 state内存地址偏移量对应的值和传入的预期值 0 是否相等,如果相等,就直接修改内存地址中 state 的值为1.否则,返回 false,表示修改失败,而这个过程是原子的,不会存在线程安全问题。

java 复制代码
public class Example {
    private volatile int state=0;
    private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
    private static final long stateOffset;
    static {
        try {
            stateOffset = unsafe.objectFieldOffset(Example.class.getDeclaredField("state"));
        } catch (NoSuchFieldException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }
    public void doSomething(){
        if (unsafe.compareAndSwapInt(this,stateOffset,0,1)) {
            // TODO
        }
    }
}

CompareAndSwap 是一个 native 方法,实际上它最终还是会面临同样的问题,就是先从内存地址中读取 state 的值,然后去比较,最后再修改。这个过程不管是在什么层面上实现,都会存在原子性问题。所以呢,CompareAndSwap 的底层实现中,在多核 CPU 环境下,会增加一个 Lock指令对缓存或者总线加锁,从而保证比较并替换这两个指令的原子性。

CAS 主要用在并发场景中,比较典型的使用场景有两个:

  • 第一个是 J.U.C 里面 Atomic 的原子实现,比如 AtomicInteger,AtomicLong。
  • 第二个是实现多线程对共享资源竞争的互斥性质,比如在 AQS、ConcurrentHashMap、ConcurrentLinkedQueue 等都有用到。
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