CAS 原理深入剖析，深入内核源码的那种

 

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一、CAS 简介

CAS 的意思是 compare and swap，比较并交换。

CAS 的示意图如下：

比如一个很简单的操作，把变量 A = 2 加 1，结果为 3.

则先读取 A 的当前值 E 为 2，在内存计算结果 V 为 3，比较之前读出来的 A 的当前值 2 和 最新值，如果最新值为 2 ，表示这个值没有被别人改过，则放心的把最终的值更新为 3.

有一种情况是，在你更新结果之前，其他有个线程在中途把 A 更新成了 5 ，又更新回了 2。但是在当前线程看起来，没有被改过。这就是 ABA 问题。

二、CAS 的实现

在 java 中，原子类都是用 cas 来实现的，我们可以看一看源码。

public final int getAndIncrement() { 
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1); 
} 

发现是调用了 unsafe 类的 getAndAddInt，继续看这个方法：

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; 
} 

这里是一个 while 循环，直到比较成功，来看一下这个 compareAndSwapInt 方法

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

发现这是一个 native 方法，意味着是 c 或者 c++ 写的虚拟机的实现。

在网上找到了 HotSpot 虚拟机的源码，找了一些资料发现了这个 compareAndSwapInt 的 c++ 代码：

在 unsafe.cpp 这个文件的 Unsafe_CompareAndSwapInt 这个方法里

发现最终调用的是 Atomic:: cmpxchg 方法，我们再找到 atomic_linux_x86.inline.hpp 这个文件

其中有一句 LOCK_IF_MP(%4) "cmpxchgl %1,(%3)"

LOCK_IF_MP 是一个宏，这个宏的定义是：

mp 的意思是 multi processor，意思是在多核 cpu 上，要锁一下这个指令。

到这里，结论是，最终调用了一条汇编指令：lock cmpxchg 指令，来实现底层 cas 的。

也就是 cpu 中有一条 cmpxchg 指令。

但是这条指令不是原子的，也就是拿出来和比较是两个操作，中间有可能被别人打断。

所以需要在这个过程加上 lock，意思是，我在对这个内存操作的过程中，不允许被别人打断。

可以简单理解为把内存总线锁住，别人不允许修改这块内存。

三、ABA 问题的解决

很简单，可以在数据上加上版本号即可，改了一次就新增一个版本号。

在 Java 中，可以使用 AtomicStampedReference 来解决这个问题

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger; 
import java.util.concurrent.atomic.AtomicStampedReference; 
 
public class ABASingle { 
 
    public static void main(String[] args) { 
        AtomicInteger atomicInt = new AtomicInteger(100); 
        atomicInt.compareAndSet(100, 101); 
        atomicInt.compareAndSet(101, 100); 
        System.out.println("new value = " + atomicInt.get()); 
        boolean result1 = atomicInt.compareAndSet(100, 101); 
        System.out.println(result1); // result:true 
 
        AtomicInteger v1 = new AtomicInteger(100); 
        AtomicInteger v2 = new AtomicInteger(101); 
        AtomicStampedReference<AtomicInteger> stampedRef = new AtomicStampedReference<AtomicInteger>( 
                v1, 0); 
 
        int stamp = stampedRef.getStamp(); 
        stampedRef.compareAndSet(v1, v2, stampedRef.getStamp(), 
                stampedRef.getStamp() + 1); 
        stampedRef.compareAndSet(v2, v1, stampedRef.getStamp(), 
                stampedRef.getStamp() + 1); 
        System.out.println("new value = " + stampedRef.getReference()); 
        boolean result2 = stampedRef.compareAndSet(v1, v2, stamp, stamp + 1); 
        System.out.println(result2); // result:false 
    } 
} 

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