互联网面试题之CAS你知道吗

CAS

CAS （全称 Compare-And-Swap） 比较并交换，它是一条CPU并发原语。
它的功能是判断内存某个位置的值是否为预期值，如果是则更改为新值，这个过程是原子的。

AtomicInteger ai = new AtomicInteger(0);
int i = ai.getAndIncrement();

getAndIncrement() 源码

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

AtomicInteger 类部分源码

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 6214790243416807050L;

    // 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;

Unsafe类

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。Unsafe类存在与sun.misc包中，其内部方法操作可以像C的指针一样直接操作内存，因此Java中CAS操作的执行依赖于Unsafe类的方法。

注意，Unsafe类中的所有方法都是native修饰的，也就是说Unsafe类中的方法都直接调用操作系统底层资源执行相应任务。

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，保证了多线程之间内存可见性。

CAS并发原语体现在Java语言中就是sun.misc.Unsafe类中的各个方法。调用Unsafe类中的CAS方法，JVM会帮我们实现出CAS汇编指令。这是一种完全依赖于硬件的功能，通过它实现了原子操作。

再次强调，由于CAS是一种系统原语，原语属于操作系统用语范畴，是由若干条指令组成的，用于完成某个功能的一个过程，并且原语的执行必须是连续的，在执行过程中不允许被中断，也就是说CAS是一条CPU的原子指令，不会造成所谓的数据不一致问题。

unsafe.getAndAddInt 源码

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;
}

var1：AtomicInteger对象本身
var2：该对象值的引用地址valueOffset
var4：需要变动的数量
var5：用var1 var2 获取的主内存中的真实值。

compareAndSwapInt 用该对象当前的值（var1对象的var2地址的值）与var5比较，如果相同，则更新为var5+var4 并返回为true，跳出do while循环。如果不同，继续取值然后再比较，直到更新完成。

CAS 优点

无锁，允许多线程并发修改，并发性高。

CAS 缺点

• 循环时间长开销大。getAndAddInt 方法执行时，do while 循环，如果CAS失败，会一直进行尝试。如果长时间一直不成功，可能会给CPU带来很大开销。
• 只能保证一个共享变量的原子操作。当对一个共享变量执行操作时，我们可以使用循环CAS的方式来保证原子操作。但是对多个共享变量操作时，循环CAS就无法保证操作的原子性，这个时候就可以用锁来保证原子性。
• ABA问题

小结

CAS（CompareAndSwap）比较当前工作内存中的值和主内存中的值，如果相同则执行规定操作，否则继续比较直到主内存和工作内存中的值一致为止。
CAS应用，CAS有3个操作数，内存值V，旧的预期值A，要修改的更新值B。当且仅当预期值A和内存值V相同时，将内存值V修改为B，否则什么都不做。