并发CAS机制你真的理解了嘛？（深入到操作系统分析）

学习Java并发编程，CAS机制都是一个不得不掌握的知识点。这篇文章主要是从出现的原因再到原理进行一个解析。希望对你有所帮助。

一、为什么需要CAS机制？

为什么需要CAS机制呢？我们先从一个错误现象谈起。我们经常使用volatile关键字修饰某一个变量，表明这个变量是全局共享的一个变量，同时具有了可见性和有序性。但是却没有原子性。比如说一个常见的操作a++。这个操作其实可以细分成三个步骤：

（1）从内存中读取a

（2）对a进行加1操作

（3）将a的值重新写入内存中

在单线程状态下这个操作没有一点问题，但是在多线程中就会出现各种各样的问题了。因为可能一个线程对a进行了加1操作，还没来得及写入内存，其他的线程就读取了旧值。造成了线程的不安全现象。如何去解决这个问题呢？最常见的方式就是使用AtomicInteger来修饰a。我们可以看一下代码：

public class Test3 {
	//使用AtomicInteger定义a
	static AtomicInteger a = new AtomicInteger();
	public static void main(String[] args) {
		Test3 test = new Test3();
		Thread[] threads = new Thread[5];
		for (int i = 0; i < 5; i++) {
			threads[i] = new Thread(() -> {
				try {
					for (int j = 0; j < 10; j++) {
						//使用getAndIncrement函数进行自增操作
						System.out.println(a.incrementAndGet());		
						Thread.sleep(500);
					}
				} catch (Exception e) {
					e.printStackTrace();
				}
			});
			threads[i].start();
		}
	}
}

现在我们使用AtomicInteger类并且调用了incrementAndGet方法来对a进行自增操作。这个incrementAndGet是如何实现的呢？我们可以看一下AtomicInteger的源码。

/**
* Atomically increments by one the current value.
* @return the updated value
*/
public final int incrementAndGet() {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
}

我们到这一步可以看到其实就是usafe调用了getAndAddInt的方法实现的，但是现在我们还看不出什么，我们再深入到源码中看看getAndAddInt方法又是如何实现的，

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;   
}

到了这一步就稍微有点眉目了，原来底层调用的是compareAndSwapInt方法，这个compareAndSwapInt方法其实就是CAS机制。因此如果我们想搞清楚AtomicInteger的原子操作是如何实现的，我们就必须要把CAS机制搞清楚，这也是为什么我们需要掌握CAS机制的原因。

二、分析CAS

1、基本含义

CAS全拼又叫做compareAndSwap，从名字上的意思就知道是比较交换的意思。比较交换什么呢？

过程是这样：它包含 3 个参数 CAS（V，E，N），V表示要更新变量的值，E表示预期值，N表示新值。仅当 V值等于E值时，才会将V的值设为N，如果V值和E值不同，则说明已经有其他线程做两个更新，则当前线程则什么都不做。最后，CAS 返回当前V的真实值。

我们举一个我之前举过的例子来说明这个过程：

比如说给你儿子订婚。你儿子就是内存位置，你原本以为你儿子是和杨贵妃在一起了，结果在订婚的时候发现儿子身边是西施。这时候该怎么办呢？你一气之下不做任何操作。如果儿子身边是你预想的杨贵妃，你一看很开心就给他们订婚了，也叫作执行操作。现在你应该明白了吧。

CAS 操作时抱着乐观的态度进行的，它总是认为自己可以成功完成操作。所以CAS也叫作乐观锁，那什么是悲观锁呢？悲观锁就是我们之前赫赫有名的synchronized。悲观锁的思想你可以这样理解，一个线程想要去获得这个锁但是却获取不到，必须要别人释放了才可以。

2、底层原理

想要弄清楚其底层原理，深入到源码是最好的方式，在上面我们已经通过源码看到了其实就是Usafe的方法来完成的，在这个方法中使用了compareAndSwapInt这个CAS机制。因此，现在我们有必要进一步深入进去看看：

public final class Unsafe {
    // compareAndSwapInt 是 native 类型的方法
    public final native boolean compareAndSwapInt(
    	Object o, 
    	long offset,
        int expected,
        int x
    );
    //剩余还有很多方法
}

我们可以看到这里面主要有四个参数，第一个参数就是我们操作的对象a，第二个参数是对象a的地址偏移量，第三个参数表示我们期待这个a是什么值，第四个参数表示的是a的实际值。

不过这里我们会发现这个compareAndSwapInt是一个native方法，也就是说再往下走就是C语言代码，如果我们保持好奇心，可以继续深入进去看看。

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);
  // 根据偏移量valueOffset，计算 value 的地址
  jint* addr = (jint *) index_oop_from_field_offset_long(p, offset);
  // 调用 Atomic 中的函数 cmpxchg来进行比较交换
  return (jint)(Atomic::cmpxchg(x, addr, e)) == e;
UNSAFE_END

上面的代码我们解读一下：首先使用jint计算了value的地址，然后根据这个地址，使用了Atomic的cmpxchg方法进行比较交换。现在问题又抛给了这个cmpxchg，真实实现的是这个函数。我们再进一步深入看看，真相已经离我们不远了。

unsigned Atomic::cmpxchg(unsigned int exchange_value,
                         volatile unsigned int* dest, 
                         unsigned int compare_value) {
    assert(sizeof(unsigned int) == sizeof(jint), "more work to do");
  /*
   * 根据操作系统类型调用不同平台下的重载函数，
     这个在预编译期间编译器会决定调用哪个平台下的重载函数
  */
    return (unsigned int)Atomic::cmpxchg((jint)exchange_value, 
                     (volatile jint*)dest, (jint)compare_value);
}

皮球又一次被完美的踢走了，现在在不同的操作系统下会调用不同的cmpxchg重载函数，我现在用的是win10系统，所以我们看看这个平台下的实现，别着急再往下走走：

inline jint Atomic::cmpxchg (jint exchange_value, volatile jint* dest, 
							jint compare_value) {
  int mp = os::is_MP();
  __asm {
    mov edx, dest
    mov ecx, exchange_value
    mov eax, compare_value
    LOCK_IF_MP(mp)
    cmpxchg dword ptr [edx], ecx
  }
}

这块的代码就有点涉及到汇编指令相关的代码了，到这一步就彻底接近真相了，首先三个move指令表示的是将后面的值移动到前面的寄存器上。然后调用了LOCK_IF_MP和下面cmpxchg汇编指令进行了比较交换。现在我们不知道这个LOCK_IF_MP和cmpxchg是如何交换的，没关系我们最后再深入一下。

真相来了，他来了，他真的来了。

inline jint Atomic::cmpxchg (jint exchange_value, 
                             volatile jint* dest, jint compare_value) {
  //1、 判断是否是多核 CPU
  int mp = os::is_MP();
  __asm {
    //2、 将参数值放入寄存器中
    mov edx, dest   
    mov ecx, exchange_value
    mov eax, compare_value 
    //3、LOCK_IF_MP指令
    cmp mp, 0
    //4、 如果 mp = 0，表明线程运行在单核CPU环境下。此时 je 会跳转到 L0 标记处，直接执行 cmpxchg 指令
    je L0
    _emit 0xF0
//5、这里真正实现了比较交换
L0:
    /*
     * 比较并交换。简单解释一下下面这条指令，熟悉汇编的朋友可以略过下面的解释:
     *   cmpxchg: 即“比较并交换”指令
     *   dword: 全称是 double word 表示两个字，一共四个字节
     *   ptr: 全称是 pointer，与前面的 dword 连起来使用，表明访问的内存单元是一个双字单元 
     * 这一条指令的意思就是：
     		将 eax 寄存器中的值（compare_value）与 [edx] 双字内存单元中的值进行对比，
     		如果相同，则将 ecx 寄存器中的值（exchange_value）存入 [edx] 内存单元中。
     */
    cmpxchg dword ptr [edx], ecx
  }
}

到这一步了，相信你应该理解了这个CAS真正实现的机制了吧，最终是由操作系统的汇编指令完成的。

3、CAS机制的优缺点

（1）优点

一开始在文中我们曾经提到过，cas是一种乐观锁，而且是一种非阻塞的轻量级的乐观锁，什么是非阻塞式的呢？其实就是一个线程想要获得锁，对方会给一个回应表示这个锁能不能获得。在资源竞争不激烈的情况下性能高，相比synchronized重量锁，synchronized会进行比较复杂的加锁，解锁和唤醒操作。

（2）缺点

缺点也是一个非常重要的知识点，因为涉及到了一个非常著名的问题，叫做ABA问题。假设一个变量 A ，修改为 B之后又修改为 A，CAS 的机制是无法察觉的，但实际上已经被修改过了。这就是ABA问题，

ABA问题会带来大量的问题，比如说数据不一致的问题等等。我们可以举一个例子来解释说明。

你有一瓶水放在桌子上，别人把这瓶水喝完了，然后重新倒上去。你再去喝的时候发现水还是跟之前一样，就误以为是刚刚那杯水。如果你知道了真相，那是别人用过了你还会再用嘛？举一个比较黄一点的例子，女朋友被别人睡过之后又回来，还是之前的那个女朋友嘛？

ABA可以有很多种方式来解决，在其他的文章已经给出。