JUC并发工具-CAS机制

面试的时候经常被问到锁、JUC工具包等相关内容，其中CAS机制是必问题目，以下简单总结CAS的机制、CAS产生的ABA现象、CAS产生的ABA现象解决思路

1.什么是CAS？

CAS（Compare and Swap）是一种多线程同步的原子操作，用于解决并发环境下的数据竞争和线程安全问题。像我们平时使用到的JUC并发包下的AtomicInteger、AtomicLong、AtomicLong、AtomicBoolean等等底层都是基于CAS实现的，另外ReentrantLock、ConcurrentHashMap这些底层也是采用CAS机制实现。

2.CAS的原理？

CAS需要有3个操作数：内存地址V，旧的预期值A，即将要更新的目标值B，首先比较某个内存位置的值与预期值是否相等，如果相等，则将新值写入该内存位置；如果不相等，则表示其他线程已经修改了该内存位置的值，操作失败。这样子就能保证原子性。

如AtomicInteger 类中compareAndSet方法如下，expectedValue是指内存中期望的值，newValue是指新值，VALUE是在类中的偏移量，用于后面CAS操作时使用

public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}

注: jdk17和jdk8实现有很大的不同

其属性如下

// 获取Unsafe的实例
private static final Unsafe U = Unsafe.getUnsafe();
// 标识value字段的偏移量
private static final long VALUE= U.objectFieldOffset(AtomicInteger.class, "value");
// 存储int类型值的地方，使用volatile修饰
private volatile int value;static {try {valueOffset = unsafe.objectFieldOffset(AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));} catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }}

这里使用volatile的作用是为了保证可见性( 内存屏障)，即一个线程的修改另一个线程可见，线程修改数据后往主存更新数据，另一个线程也从主存读取数据，从而保证可见性。

compareAndSet()方法底层调用Unsafe类的compareAndSwapInt()方法实现，这个方法有四个参数：

  • this：当前对象；
  • VALUE：对象中字段的偏移量；
  • expectedValue：内存中的旧值；
  • newValue：新的期望值；
public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);

Unsafe类的compareAndSwapInt()方法是一个本地方法，底层是使用C/C++写的，主要是调用CPU的CAS指令来实现。

再来看一个AtomicInteger 类中的核心方法，getAndIncrement()

public final int getAndIncrement() {return U.getAndAddInt(this, VALUE, 1);
}

getAndIncrement()方法底层是调用的Unsafe的getAndAddInt()方法，这个方法有三个参数分别表示，当前操作对象、对象中字段的偏移量、要增加的值

image-20231118112750087

getAndAddInt()方法底层会调用Unsafe类的compareAndSwapInt()方法

 public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);

3.ABA现象产生分析

为了方便演示，采用AtomicReference实现一个CAS机制导致的ABA现象，如下

public class CASCostABADemo {private static AtomicReference<Integer> sharedVariable = new AtomicReference<>(10);public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Thread thread1 = new Thread(() -> {int oldValue = sharedVariable.get();System.out.println("Thread 1 - Old value: " + oldValue);sleep(2000); // 线程1暂停1秒，给线程2足够的时间执行// 尝试修改共享变量的值boolean success = sharedVariable.compareAndSet(oldValue, 20);System.out.println("Thread 1 - Value changed: " + success);});Thread thread2 = new Thread(() -> {sleep(500); // 线程2暂停0.5秒// 修改共享变量的值为30，然后再修改回10sharedVariable.set(30);System.out.println("Thread 2 - Value changed to 30");sleep(500); // 线程2暂停0.5秒sharedVariable.set(10);System.out.println("Thread 2 - Value changed to 10");});thread1.start();thread2.start();Thread.sleep(3000);System.out.println("Final value: " + sharedVariable.get());}private static void sleep(long milliseconds) {try {Thread.sleep(milliseconds);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}
}

运行结果如下：

image-20231118114908295

具体的说

  • 线程1旧值是10，线程2旧值也是10，线程1休眠1秒，线程2得到CPU时间片，进入执行状态；
  • 线程2采用CAS机制，内存旧值是10，新值是30，发现不一致，则把10改成30，此时内存值是30；
  • 线程2继续执行把30改成10；
  • 线程1此时开始执行，发现内存值是10，旧的内存值也是10，因此把10改成20；

以上就是CAS可能会产生的ABA问题。

4.ABA问题解决

为了解决CAS的ABA现象，引入了AtomicStampedReference。我的个人理解CAS的 ABA现象，不能看成是设计的缺陷，可以理解为不同业务场景的选型问题，如果我要实现一个类似于倒计时的功能使用AtomicInteger 就能实现这样的需求。

public class CASABASolveDemo {private static AtomicStampedReference<Integer> sharedVariable = new AtomicStampedReference<>(10, 0);public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Thread thread1 = new Thread(() -> {//当前共享变量的值int oldValue = sharedVariable.getReference();//当前共享变量的版本号int oldStamp = sharedVariable.getStamp();System.out.println("Thread 1 - Old value: " + oldValue + ", Stamp: " + oldStamp);sleep(1000);// 尝试修改共享变量的值int newStamp = oldStamp + 1;boolean success = sharedVariable.compareAndSet(oldValue, 20, oldStamp, newStamp);System.out.println("Thread 1 - Value changed: " + success + ", New Stamp: " + newStamp);});Thread thread2 = new Thread(() -> {sleep(500);int[] stampHolder = new int[1];//获取当前共享变量的值,并且把版本号存储在stampHolder 数组中。int currentValue = sharedVariable.get(stampHolder);int stamp = stampHolder[0];System.out.println("Thread 2 - Old value: " + currentValue + ", Stamp: " + stamp);// 修改共享变量的值为30int newStamp = stamp + 1;sharedVariable.compareAndSet(currentValue, 30, stamp, newStamp);System.out.println("Thread 2 - Value changed to 30, New Stamp: " + newStamp);sleep(500);// 修改共享变量的值回10boolean success = sharedVariable.compareAndSet(30, 10, newStamp, newStamp + 1);System.out.println("Thread 2 - Value changed to 10: " + success + ", New Stamp: " + (newStamp + 1));});thread1.start();thread2.start();Thread.sleep(3000);System.out.println("Final value: " + sharedVariable.getReference() + ", Stamp: " + sharedVariable.getStamp());}private static void sleep(long milliseconds) {try {Thread.sleep(milliseconds);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}
}

image-20231118115951339

ry {
Thread.sleep(milliseconds);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}


[外链图片转存中...(img-eJfEZdNk-1700280126493)]运行结果如上，最终的结果是10，是由线程2计算得到的最终结果，线程1操作失败。

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