Java的CAS乐观锁原理解析

CAS全称 Compare And Swap（比较与交换），在不使用锁的情况下实现多线程之间的变量同步。属于硬件同步原语，处理器提供了基本内存操作的原子性保证。juc包中的原子类就是通过CAS来实现了乐观锁。

CAS算法涉及到三个操作数：

需要读写的内存值 V。

进行比较的旧值A (期望操作前的值)

要写入的新值 B。

当且仅当 V 的值等于 A 时，CAS通过原子方式用新值B来更新V的值（“比较+更新”整体是一个原子操作），否则不会执行任何操作。
一般情况下，“更新”是一个不断重试的过程。

Java中的sun.misc.Unsafe类,提供了

compareAndSwapInt

compareAndSwapLong

等方法实现CAS。

示例

J.U.C包内的原子操作封装类

看一下AtomicInteger的源码定义：

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;

各属性的作用：

unsafe： 获取并操作内存的数据

valueOffset： 存储value在AtomicInteger中的偏移

value： 存储AtomicInteger的int值，该属性需要借助volatile关键字保证其在线程间的可见性
​​

接着查看自增方法incrementAndGet的源码时，发现自增函数底层调用的是unsafe.getAndAddInt。
但是由于JDK本身只有Unsafe.class，只通过class文件中的参数名，并不能很好的了解方法的作用，所以我们通过OpenJDK 8 来查看Unsafe的源码：

// ------------------------- JDK 8 ------------------------- // AtomicInteger 的自增方法 public final int incrementAndGet() { return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1; } // Unsafe.class 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; } // ------------------------- OpenJDK 8 ------------------------- // Unsafe.java public final int getAndAddInt(Object o, long offset, int delta) { int v; do { v = getIntVolatile(o, offset); } while (!compareAndSwapInt(o, offset, v, v + delta)); return v; }

由源码可看出，getAndAddInt()循环获取给定对象o中的偏移量处的值v，然后判断内存值是否等于v。

如果相等则将内存值设置为 v + delta

否则返回false，继续循环进行重试，直到设置成功才能退出循环，并且将旧值返回

整个“比较+更新”操作封装在compareAndSwapInt()中，通过JNI使用CPU指令完成的，属于原子操作，可以保证多个线程都能够看到同一个变量的修改值。

JDK通过CPU的cmpxchg指令，去比较寄存器中的 A 和 内存中的值 V。如果相等，就把要写入的新值 B 存入内存中。如果不相等，就将内存值 V 赋值给寄存器中的值 A。然后通过Java代码中的while循环再次调用cmpxchg指令进行重试，直到设置成功为止。

CAS的问题 循环+CAS

自旋的实现让所有线程都处于高频运行，争抢CPU执行时间的状态。CAS操作如果长时间不成功，会导致其一直自旋，如果操作长时间不成功，会带来很大的CPU资源消耗。

只能保证一个共享变量的原子操作