一文搞懂CAS实现原理——怀玉

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CAS（Compare and swap）是一种用于在多线程环境下实现同步功能的机制

CAS原理剖析

CAS 被认为是一种乐观锁，有乐观锁，相对应的是悲观锁。

在上述示例中，我们使用了 synchronized，如果在线程竞争压力大的情况下，synchronized 内部会升级为重量级锁，此时仅能有一个线程进入代码块执行，如果这把锁始终不能释放，其他线程会一直阻塞等待下去。此时，可以认为是悲观锁。

悲观锁会因线程一直阻塞导致系统上下文切换，系统的性能开销大。

那么，我们可以用乐观锁来解决，所谓的乐观锁，其实就是一种思想。

乐观锁，会以一种更加乐观的态度对待事情，认为自己可以操作成功。当多个线程操作同一个共享资源时，仅能有一个线程同一时间获得锁成功，在乐观锁中，其他线程发现自己无法成功获得锁，并不会像悲观锁那样阻塞线程，而是直接返回，可以去选择再次重试获得锁，也可以直接退出。

CAS 正是乐观锁的核心算法实现。

在示例代码的方案中都提到了 AtomicInteger、LongAdder、Lock锁底层，此外，当然还包括 java.util.concurrent.atomic 并发包下的所有原子类都是基于 CAS 来实现的。

以 AtomicInteger 原子整型类为例，一起来分析下 CAS 底层实现机制。

atomicData.incrementAndGet()

源码如下所示：

// 提供自增易用的方法，返回增加1后的值
public final int incrementAndGet() {return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
}// 额外提供的compareAndSet方法
public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}// Unsafe 类的提供的方法
public final int getAndAddInt (Object o,long offset, int delta){int v;do {v = getIntVolatile(o, offset);} while (!weakCompareAndSetInt(o, offset, v, v + delta));return v;
}

我们看到了 AtomicInteger 内部方法都是基于 Unsafe 类实现的，Unsafe 类是个更底层硬件CPU指令通讯的复制工具类。

1、参数

由这段代码看到：

unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update)

所谓的 CAS，其实是个简称，全称是 Compare And Swap，对比之后交换数据。
上面的方法，有几个重要的参数：

（1）this，Unsafe 对象本身，需要通过这个类来获取 value 的内存偏移地址。

（2）valueOffset，value 变量的内存偏移地址。

（3）expect，期望更新的值。

（4）update，要更新的最新值。

如果原子变量中的 value 值等于 expect，则使用 update 值更新该值并返回 true，否则返回 false。

再看如何获得 valueOffset的：

// Unsafe实例
private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
private static final long valueOffset;static {try {// 获得value在AtomicInteger中的偏移量valueOffset = unsafe.objectFieldOffset(AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));} catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}
// 实际变量的值
private volatile int value;

这里看到了 value 实际的变量，是由 volatile 关键字修饰的，为了保证在多线程下的内存可见性。

为何能通过 Unsafe.getUnsafe() 方法能获得 Unsafe 类的实例？其实因为 AtomicInteger 类也在 **rt.jar **包下面的，所以 AtomicInteger 类就是通过 Bootstrap 根类加载器进行加载的。

源码如下所示：

@CallerSensitive
public static Unsafe getUnsafe() {Class var0 = Reflection.getCallerClass();// Bootstrap 类加载器是C++的，正常返回null，否则就抛异常。if (!VM.isSystemDomainLoader(var0.getClassLoader())) {throw new SecurityException("Unsafe");} else {return theUnsafe;}
}

解密CAS底层指令

其实，掌握以上内容，对于 CAS 机制的理解相对来说算是比较清楚了。

当然，如果感兴趣，也可以继续深入学习用到了哪些硬件 CPU 指令。

底层硬件通过将 CAS 里的多个操作在硬件层面语义实现上，通过一条处理器指令保证了原子性操作。这些指令如下所示：

（1）测试并设置（Tetst-and-Set）

（2）获取并增加（Fetch-and-Increment）

（3）交换（Swap）

（4）比较并交换（Compare-and-Swap）

（5）加载链接/条件存储（Load-Linked/Store-Conditional）

前面三条大部分处理器已经实现，后面的两条是现代处理器当中新增加的。而且根据不同的体系结构，指令存在着明显差异。

在IA64，x86 指令集中有 cmpxchg 指令完成 CAS 功能，在 sparc-TSO 也有 casa 指令实现，而在 ARM 和 PowerPC 架构下，则需要使用一对 ldrex/strex 指令来完成 LL/SC 的功能。在精简指令集的体系架构中，则通常是靠一对儿指令，如：load and reserve 和 **store conditional ** 实现的，在大多数处理器上 CAS 都是个非常轻量级的操作，这也是其优势所在。

sun.misc.Unsafe 中 CAS 的核心方法：

public final native boolean compareAndSwapObject(Object var1, long var2, Object var4, Object var5);public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);public final native boolean compareAndSwapLong(Object var1, long var2, long var4, long var6);

这三个方法可以对应去查看 openjdk 的 hotspot 源码：

#define FN_PTR(f) CAST_FROM_FN_PTR(void*, &f){CC"compareAndSwapObject", CC"("OBJ"J"OBJ""OBJ")Z",  FN_PTR(Unsafe_CompareAndSwapObject)},{CC"compareAndSwapInt",  CC"("OBJ"J""I""I"")Z",      FN_PTR(Unsafe_CompareAndSwapInt)},{CC"compareAndSwapLong", CC"("OBJ"J""J""J"")Z",      FN_PTR(Unsafe_CompareAndSwapLong)},

cmpxchg 函数源码：

jbyte Atomic::cmpxchg(jbyte exchange_value, volatile jbyte*dest, jbyte compare_value) {assert (sizeof(jbyte) == 1,"assumption.");uintptr_t dest_addr = (uintptr_t) dest;uintptr_t offset = dest_addr % sizeof(jint);volatile jint*dest_int = ( volatile jint*)(dest_addr - offset);// 对象当前值jint cur = *dest_int;// 当前值cur的地址jbyte * cur_as_bytes = (jbyte *) ( & cur);// new_val地址jint new_val = cur;jbyte * new_val_as_bytes = (jbyte *) ( & new_val);// new_val存exchange_value，后面修改则直接从new_val中取值new_val_as_bytes[offset] = exchange_value;// 比较当前值与期望值，如果相同则更新，不同则直接返回while (cur_as_bytes[offset] == compare_value) {// 调用汇编指令cmpxchg执行CAS操作，期望值为cur，更新值为new_valjint res = cmpxchg(new_val, dest_int, cur);if (res == cur) break;cur = res;new_val = cur;new_val_as_bytes[offset] = exchange_value;}// 返回当前值return cur_as_bytes[offset];
}

源码中具体变量添加了注释，因为都是 C++ 代码，所以作为了解即可 ~

jint res = cmpxchg(new_val, dest_int, cur);