三分钟带你秒懂CAS实现机制

一、摘要

在 Java 的java.util.concurrent包中，除了提供底层锁、并发同步等工具类以外，还提供了一组原子操作类，大多以Atomic开头，他们位于java.util.concurrent.atomic包下。L4Y28资讯网——每日最新资讯28at.com

所谓原子类操作，顾名思义，就是这个操作要么全部执行成功，要么全部执行失败，是保证并发编程安全的重要一环。L4Y28资讯网——每日最新资讯28at.com

以AtomicInteger原子类为例，应用示例如下！L4Y28资讯网——每日最新资讯28at.com

public class Demo {    /**     * 初始化一个原子操作类     */    private static AtomicInteger a = new AtomicInteger();    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {        final int threads = 10;        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threads);        for (int i = 0; i < threads; i++) {            new Thread(new Runnable() {                @Override                public void run() {                    for (int j = 0; j < 1000; j++) {                        // 采用原子性操作累加                        a.incrementAndGet();                    }                    countDownLatch.countDown();                }            }).start();        }        // 阻塞等待10个线程执行完毕        countDownLatch.await();        // 输出结果值        System.out.println("结果值：" + a.get());    }}

输出结果：L4Y28资讯网——每日最新资讯28at.com

结果值：10000

相比通过synchronized和lock等方式实现的线程安全同步操作，原子类的实现机制则完全不同。它采用的是通过无锁（lock-free）的方式来实现线程安全（thread-safe）访问，底层原理主要基于CAS操作来实现。L4Y28资讯网——每日最新资讯28at.com

某些业务场景下，通过原子类来操作，既可以实现线程安全的要求，又可以实现高效的并发性能，同时编程方面更加简单。L4Y28资讯网——每日最新资讯28at.com

二、什么是 CAS 操作呢？

CAS，全称是：Compare and Swap，翻译过来就是：比较并替换。它是实现并发算法时常用的一种技术，它包含三个操作数：内存位置、预期原值及新值。在执行CAS操作的时候，会将内存位置的值与预期原值比较，如果一致，会将该位置的值更新为新值；否则，不做任何操作。L4Y28资讯网——每日最新资讯28at.com

我们还是以AtomicInteger原子类为例，部分源码内容如下：L4Y28资讯网——每日最新资讯28at.com

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {    private static final long serialVersionUID = 6214790243416807050L;    // 使用 Unsafe.compareAndSwapInt 方法进行 CAS 操作    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); }    }    // 变量使用 volatile 保证可见性    private volatile int value;    /**     * get 方法     */    public final int get() {        return value;    }    /**     * 原子性自增操作     */    public final int incrementAndGet() {        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;    }}

从源码上可以清晰的看出，变量value使用了volatile关键字，保证数据可见性和程序的有序性；原子性自增操作incrementAndGet()方法，路由到Unsafe.getAndAddInt()方法上。L4Y28资讯网——每日最新资讯28at.com

我们继续往下看Unsafe.getAndAddInt()这个方法，部分源码内容如下：L4Y28资讯网——每日最新资讯28at.com

public final class Unsafe {    public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {        int var5;        // 1.循环比较并替换，只有成功才返回        do {            // 2.调用底层方法得到 value 值            var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);            // 3.通过var1和var2得到底层值，var5为当前值，如果底层值与当前值相同，则将值设为var5+var4        } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));        // 4.如果替换成功，返回当前值        return var5;    }    /**     * CAS 核心方法，由其他语言实现，不再分析     */    public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);}

从以上的源码可以清晰的看到，incrementAndGet()方法主要基于Unsafe.compareAndSwapInt方法来实现，同时进行了循环比较与替换的操作，只有替换成功才会返回，这个过程也被称为自旋操作，确保程序执行成功，进一步保证了操作的原子性。L4Y28资讯网——每日最新资讯28at.com

其它的方法实现思路也类似。L4Y28资讯网——每日最新资讯28at.com

如果我们自己通过CAS编写incrementAndGet()，大概长这样：L4Y28资讯网——每日最新资讯28at.com

public int incrementAndGet(AtomicInteger var) {    int prev, next;    do {        prev = var.get();        next = prev + 1;    } while ( !var.compareAndSet(prev, next));    return next;}

当并发数量比较低的时候，采用CAS这种方式可以实现更快的执行效率；当并发数量比较高的时候，因为存在循环比较与替换的逻辑，如果长时间循环，可能会更加消耗 CPU 资源，此时采用synchronized或Lock来实现线程同步，可能会更有优势。L4Y28资讯网——每日最新资讯28at.com

三、ABA问题

从上文的分析中，我们知道 CAS 在操作的时候会检查预期原值是否发生变化，当预期原值没有发生变化才会更新值。L4Y28资讯网——每日最新资讯28at.com

在实际业务中，可能会出现这么一个现象：线程 t1 正尝试将共享变量的值 A 进行修改，但还没修改；此时另一个线程 t2 获取到 CPU 时间片，将共享变量的值 A 修改成 B，然后又修改为 A，此时线程 t1 检查发现共享变量的值没有发生变化，就会主动去更新值，导致出现了错误更新，但是实际上原始值在这个过程中发生了好几次变化。这个现象我们称它为 ABA 问题。L4Y28资讯网——每日最新资讯28at.com

ABA 问题的解决思路就是使用版本号，在变量前面追加上版本号，每次变量更新的时候把版本号加 1，原来的A-B-A就会变成1A-2B-3A。L4Y28资讯网——每日最新资讯28at.com

在java.util.concurrent.atomic包下提供了AtomicStampedReference类，它支持指定版本号来更新，可以通过它来解决 ABA 问题。L4Y28资讯网——每日最新资讯28at.com

在AtomicStampedReference类的compareAndSet()方法中，会检查当前引用是否等于预期引用，并且当前版本号是否等于预期版本号，如果全部相等，则以原子方式将该引用的值设置为给定的更新值，同时更新版本号。L4Y28资讯网——每日最新资讯28at.com

具体示例如下：L4Y28资讯网——每日最新资讯28at.com

// 初始化一个带版本号的原子操作类，原始值：a，原始版本号：1AtomicStampedReference<String> reference = new AtomicStampedReference<>("a", 1);// 将a更为b，同时将版本号加1，第一个参数：预期原值；第二个参数：更新后的新值；第三个参数：预期原版本号；第四个参数：更新后的版本号boolean result1 = reference.compareAndSet("a", "b", reference.getStamp(), reference.getStamp() + 1);System.out.println("第一次更新：" + result1);// 将b更为a，因为预期原版本号不对，所以更新失败boolean result2 = reference.compareAndSet("b", "a", 1, reference.getStamp());System.out.println("第二次更新：" + result2);

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第一次更新：true第二次更新：false

四、小结

本文主要以AtomicInteger的用法和原理为例，对 CAS 实现原理进行介绍，JUC包下的原子操作类非常的多，但是大体用法和原理基本相似，只是针对不同的数据类型做了细分处理。L4Y28资讯网——每日最新资讯28at.com

希望本篇的知识总结，能帮助到大家！L4Y28资讯网——每日最新资讯28at.com

五、参考

1.https://www.liaoxuefeng.com/wiki/1252599548343744/1306581083881506L4Y28资讯网——每日最新资讯28at.com

2.https://blog.csdn.net/zzti_erlie/article/details/123001758L4Y28资讯网——每日最新资讯28at.com

3.https://juejin.cn/post/7057032581165875231L4Y28资讯网——每日最新资讯28at.com

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