比较并替换，实现并发算法时常用到的一种技术，在java同步器中大量使用了CAS技术，神奇的实现了多线程执行的安全性

思想很简单：三个参数

• 一个当前内存值V

• 旧的预期值A

• 即将更新的值B

当且仅当预期值A和内存值V相同时，将内存值修改为B并返回true，否则什么都不做，并返回false。

问题
一个n++的问题。

public class Case {    public volatile int n;    public void add() {
        n++;
    }
}

通过javap -verbose Case看看add方法的字节码指令

public void add();
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=3, locals=1, args_size=1
         0: aload_0       
         1: dup           
         2: getfield      #2                  // Field n:I
         5: iconst_1      
         6: iadd          
         7: putfield      #2                  // Field n:I
        10: return

n++被拆分成了几个指令：

执行getfield拿到原始n；
执行iadd进行加1操作；
执行putfield写把累加后的值写回n；
通过volatile修饰的变量可以保证线程之间的可见性，但并不能保证这3个指令的原子执行，在多线程并发执行下，无法做到线程安全，得到正确的结果，那么应该如何解决呢？

如何解决
在add方法加上synchronized修饰解决。

public class Case {    public volatile int n;    public synchronized void add() {
        n++;
    }
}

这个方案当然可行，但是性能上差了点，还有其它方案么？

再来看一段代码

public int a = 1;
public boolean compareAndSwapInt(int b) {
if (a == 1) {
a = b;
return true;
}
return false;
}
如果这段代码在并发下执行，会发生什么？

假设线程1和线程2都过了a==1的检测，都准备执行对a进行赋值，结果就是两个线程同时修改了变量a，显然这种结果是无法符合预期的，无法确定a的最终值。

解决方法也同样暴力，在compareAndSwapInt方法加锁同步，变成一个原子操作，同一时刻只有一个线程才能修改变量a。

除了低性能的加锁方案，我们还可以使用JDK自带的CAS方案，在CAS中，比较和替换是一组原子操作，不会被外部打断，且在性能上更占有优势。

下面以AtomicInteger的实现为例，分析一下CAS是如何实现的。

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
// setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updates
private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
private static final long valueOffset;

static {    try {
        valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
            (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
    } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}private volatile int value;public final int get() {return value;}

}
Unsafe，是CAS的核心类，由于Java方法无法直接访问底层系统，需要通过本地（native）方法来访问，Unsafe相当于一个后门，基于该类可以直接操作特定内存的数据。
变量valueOffset，表示该变量值在内存中的偏移地址，因为Unsafe就是根据内存偏移地址获取数据的。
变量value用volatile修饰，保证了多线程之间的内存可见性。
看看AtomicInteger如何实现并发下的累加操作：

public final int getAndAdd(int delta) {
return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta);
}

//unsafe.getAndAddInt
public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
int var5;
do {
var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
} while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));
return var5;
}
假设线程A和线程B同时执行getAndAdd操作（分别跑在不同CPU上）：

AtomicInteger里面的value原始值为3，即主内存中AtomicInteger的value为3，根据Java内存模型，线程A和线程B各自持有一份value的副本，值为3。
线程A通过getIntVolatile(var1, var2)拿到value值3，这时线程A被挂起。
线程B也通过getIntVolatile(var1, var2)方法获取到value值3，运气好，线程B没有被挂起，并执行compareAndSwapInt方法比较内存值也为3，成功修改内存值为2。
这时线程A恢复，执行compareAndSwapInt方法比较，发现自己手里的值(3)和内存的值(2)不一致，说明该值已经被其它线程提前修改过了，那只能重新来一遍了。
重新获取value值，因为变量value被volatile修饰，所以其它线程对它的修改，线程A总是能够看到，线程A继续执行compareAndSwapInt进行比较替换，直到成功。
整个过程中，利用CAS保证了对于value的修改的并发安全，继续深入看看Unsafe类中的compareAndSwapInt方法实现。

public final native boolean compareAndSwapInt(Object paramObject, long paramLong, int paramInt1, int paramInt2);
Unsafe类中的compareAndSwapInt，是一个本地方法，该方法的实现位于unsafe.cpp中

UNSAFE_ENTRY(jboolean, Unsafe_CompareAndSwapInt(JNIEnv env, jobject unsafe, jobject obj, jlong offset, jint e, jint x))
UnsafeWrapper("Unsafe_CompareAndSwapInt");
oop p = JNIHandles::resolve(obj);
jint addr = (jint *) index_oop_from_field_offset_long(p, offset);
return (jint)(Atomic::cmpxchg(x, addr, e)) == e;
UNSAFE_END
先想办法拿到变量value在内存中的地址。
通过Atomic::cmpxchg实现比较替换，其中参数x是即将更新的值，参数e是原内存的值。
如果是Linux的x86，Atomic::cmpxchg方法的实现如下：

inline jint Atomic::cmpxchg (jint exchange_value, volatile jint* dest, jint compare_value) {
int mp = os::is_MP();
asm volatile (LOCK_IF_MP(%4) "cmpxchgl %1,(%3)"
: "=a" (exchange_value)
: "r" (exchange_value), "a" (compare_value), "r" (dest), "r" (mp)
: "cc", "memory");
return exchange_value;
}
看到这汇编，内心崩溃

asm表示汇编的开始
volatile表示禁止编译器优化
LOCK_IF_MP是个内联函数

define LOCK_IF_MP(mp) "cmp $0, " #mp "; je 1f; lock; 1: "

Window的x86实现如下：

inline jint Atomic::cmpxchg (jint exchange_value, volatile jint* dest, jint compare_value) {
int mp = os::isMP(); //判断是否是多处理器
_asm {
mov edx, dest
mov ecx, exchange_value
mov eax, compare_value
LOCK_IF_MP(mp)
cmpxchg dword ptr [edx], ecx
}
}

// 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:

LOCK_IF_MP根据当前系统是否为多核处理器决定是否为cmpxchg指令添加lock前缀。

如果是多处理器，为cmpxchg指令添加lock前缀。
反之，就省略lock前缀。（单处理器会不需要lock前缀提供的内存屏障效果）
intel手册对lock前缀的说明如下：

确保后续指令执行的原子性。
在Pentium及之前的处理器中，带有lock前缀的指令在执行期间会锁住总线，使得其它处理器暂时无法通过总线访问内存，很显然，这个开销很大。在新的处理器中，Intel使用缓存锁定来保证指令执行的原子性，缓存锁定将大大降低lock前缀指令的执行开销。
禁止该指令与前面和后面的读写指令重排序。
把写缓冲区的所有数据刷新到内存中。
上面的第2点和第3点所具有的内存屏障效果，保证了CAS同时具有volatile读和volatile写的内存语义。

CAS缺点
CAS存在一个很明显的问题，即ABA问题。

问题：如果变量V初次读取的时候是A，并且在准备赋值的时候检查到它仍然是A，那能说明它的值没有被其他线程修改过了吗？

如果在这段期间曾经被改成B，然后又改回A，那CAS操作就会误认为它从来没有被修改过。针对这种情况，java并发包中提供了一个带有标记的原子引用类AtomicStampedReference，它可以通过控制变量值的版本来保证CAS的正确性。

作者：芥末无疆sss
链接：https://www.jianshu.com/p/4708b4751382
來源：简书
简书著作权归作者所有，任何形式的转载都请联系作者获得授权并注明出处。