1.CAS介绍
什么是 CAS
CAS（Compare And Swap，比较与交换），是非阻塞同步的实现原理，它是CPU硬件层面的一种指令，从CPU层面能保证"比较与交换"两个操作的原子性。CAS指令操作包括三个参数：内存值(内存地址值)V、预期值E、新值N，当CAS指令执行时，当且仅当预期值E和内存值V相同时，才更新内存值为N，否则就不执行更新，无论更新与否都会返回旧的内存值V，上述的处理过程是一个原子操作。
用Java代码等效实现一下CAS的执行过程：
public class CASDemo {
// 内存中当前的值
private volatile int ramAddress;
/**
* @param expectedValue 期望值
* @return newValue 更新的值
**/
public synchronized int compareAndSwap(int expectedValue, int newValue) {
//TODO 模拟直接从内存地址读取到内存中的值
int oldRamAddress = accessMemory(ramAddress);
//内存中的值和期望的值进行比较
if (oldRamAddress == expectedValue) {
ramAddress = newValue;
}
return oldRamAddress;
}
private int accessMemory(int ramAddress) {
//TODO 模拟直接从内存地址读取到内存中的值
return ramAddress;
}
}
以上伪代码描述了一个由比较和赋值两阶段组成的复合操作，CAS 可以看作是它们合并后的整体——一个不可分割的原子操作，并且其原子性是直接在硬件层面得到保障的。
CAS是一种无锁算法，在不使用锁（没有线程被阻塞）的情况下实现多线程之间的变量同步。CAS可以看做是乐观锁（对比数据库的悲观、乐观锁）的一种实现方式，Java原子类中的递增操作就通过CAS自旋实现的。
CAS使用
在 Java 中，CAS 操作是由 Unsafe 类提供支持的，该类定义了三种针对不同类型变量的 CAS 操作，如图
它们都是 native 方法，由 Java 虚拟机提供具体实现，这意味着不同的 Java 虚拟机对它们的实现可能会略有不同。
Unsafe是位于sun.misc包下的一个类，主要提供一些用于执行低级别、不安全操作的方法，如直接访问系统内存资源、自主管理内存资源等，这些方法在提升Java运行效率、增强Java语言底层资源操作能力方面起到了很大的作用。但由于Unsafe类使Java语言拥有了类似C语言指针一样操作内存空间的能力，这无疑也增加了程序发生相关指针问题的风险。在程序中过度、不正确使用Unsafe类会使得程序出错的概率变大，使得Java这种安全的语言变得不再“安全”，因此对Unsafe的使用一定要慎重。
以 compareAndSwapInt 为例，Unsafe 的 compareAndSwapInt 方法接收 4 个参数，分别是：对象实例、内存偏移量、字段期望值、字段新值。该方法会针对指定对象实例中的相应偏移量的字段执行 CAS 操作。
public class CASTest {
public static void main(String[] args) {
Entity entity = new Entity();
Unsafe unsafe = UnsafeFactory.getUnsafe();
long offset = UnsafeFactory.getFieldOffset(unsafe, Entity.class, "x");
boolean successful;
// 4个参数分别是：对象实例、字段的内存偏移量、字段期望值、字段新值
successful = unsafe.compareAndSwapInt(entity, offset, 0, 3);
System.out.println(successful + "\t" + entity.x);
successful = unsafe.compareAndSwapInt(entity, offset, 3, 5);
System.out.println(successful + "\t" + entity.x);
successful = unsafe.compareAndSwapInt(entity, offset, 3, 8);
System.out.println(successful + "\t" + entity.x);
}
}
public class UnsafeFactory {
/**
* 获取 Unsafe 对象
* @return
*/
public static Unsafe getUnsafe() {
try {
Field field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
field.setAccessible(true);
return (Unsafe) field.get(null);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
return null;
}
/**
* 获取字段的内存偏移量
* @param unsafe
* @param clazz
* @param fieldName
* @return
*/
public static long getFieldOffset(Unsafe unsafe, Class clazz, String fieldName) {
try {
return unsafe.objectFieldOffset(clazz.getDeclaredField(fieldName));
} catch (NoSuchFieldException e) {
throw new Error(e);
}
}
}
测试
针对 entity.x 的 3 次 CAS 操作，分别试图将它从 0 改成 3、从 3 改成 5、从 3 改成 8。执行结果如下：
CAS应用场景
CAS在java.util.concurrent.atomic相关类、Java AQS、CurrentHashMap等实现上有非常广泛的应用。如下图所示，AtomicInteger的实现中，静态字段valueOffset即为字段value的内存偏移地址，valueOffset的值在AtomicInteger初始化时，在静态代码块中通过Unsafe的objectFieldOffset方法获取。在AtomicInteger中提供的线程安全方法中，通过字段valueOffset的值可以定位到AtomicInteger对象中value的内存地址，从而可以根据CAS实现对value字段的原子操作。
下图为某个AtomicInteger对象自增操作前后的内存示意图，对象的基地址baseAddress=“0x110000”，通过baseAddress+valueOffset得到value的内存地址valueAddress=“0x11000c”；然后通过CAS进行原子性的更新操作，成功则返回，否则继续重试，直到更新成功为止。
CAS源码分析
Hotspot 虚拟机对compareAndSwapInt 方法的实现如下：
#unsafe.cpp
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，计算value的地址
jint* addr = (jint *) index_oop_from_field_offset_long(p, offset);
// Atomic::cmpxchg(x, addr, e) cas逻辑 x:要交换的值 e:要比较的值
//cas成功，返回期望值e，等于e,此方法返回true
//cas失败，返回内存中的value值，不等于e，此方法返回false
return (jint)(Atomic::cmpxchg(x, addr, e)) == e;
UNSAFE_END2
核心逻辑在Atomic::cmpxchg方法中，这个根据不同操作系统和不同CPU会有不同的实现。这里我们以linux_64x的为例，查看Atomic::cmpxchg的实现
#atomic_linux_x86.inline.hpp
inline jint