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原理剖析（第 004 篇）CAS工作原理分析

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摘要：原理剖析第篇工作原理分析一大致介紹關于多線程競爭鎖方面，大家都知道有個和，也正是這兩個東西才引申出了大量的線程安全類，鎖類等功能而隨著現在的硬件廠商越來越高級，在硬件層面提供大量并發原語給我們層面的開發帶來了莫大的利好本章節就和大家分享分

原理剖析（第 004 篇）CAS工作原理分析

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一、大致介紹 
1、關于多線程競爭鎖方面，大家都知道有個CAS和AQS，也正是這兩個東西才引申出了大量的線程安全類，鎖類等功能；
2、而隨著現在的硬件廠商越來越高級，在硬件層面提供大量并發原語給我們Java層面的開發帶來了莫大的利好；
3、本章節就和大家分享分析一下CAS的工作原理；
二、原理分析 2.1 何為CAS？ 
1、CAS,compare and swap的縮寫，顧名思義，比較再交換，即 “讀取-修改-寫操作” 三個步驟為一體原子操作；

2、CAS操作包含三個參數：內存位置(V)、預期值(A)、新值(B)；
   如果內存位置的值V與預期值A相匹配，那么處理器會自動將該位置值更新為新值B，否則不更新；
2.2 CAS原理 
1、CAS通過JNI方式調用底層操作系統的C代碼，從而借助底層C代碼來調用CPU底層操作指令來實現原子操作；

2、CAS是硬件CPU提供的原語，通過底層cmpxchg原語指令(多處理器再加上Lock指令)實現原子操作；
2.3 CAS核心源碼 
1、CAS核心源碼：
// Adding a lock prefix to an instruction on MP machine
// VC++ doesn"t like the lock prefix to be on a single line
// so we can"t insert a label after the lock prefix.
// By emitting a lock prefix, we can define a label after it.
#define LOCK_IF_MP(mp) __asm cmp mp, 0  
                       __asm je L0      
                       __asm _emit 0xF0 
                       __asm L0:

inline jint     Atomic::cmpxchg    (jint     exchange_value, volatile jint*     dest, jint     compare_value) {
  // alternative for InterlockedCompareExchange
  int mp = os::is_MP();
  __asm {
    mov edx, dest
    mov ecx, exchange_value
    mov eax, compare_value
    LOCK_IF_MP(mp) // 如果是多處理器的話，則需要添加Lock前綴指令，Lock的方式和Volatile的實現方式雷同
    cmpxchg dword ptr [edx], ecx // 
  }
}

2、通過上述源碼可以發現該cmpxchg方法會自動判斷當前是否是多處理器，多處理器的話則添加lock前綴指令，反之省略lock前綴；

3、至于lock是怎么保證多處理器的一致性的話，原理和Volatile雷同，請移步看看[原理剖析（第 001 篇）Volatile工作原理分析]；
三、CAS缺點 3.1、ABA問題 
1、并發操作時，容易引起ABA問題；
   假設i初始值i=5，A線程做i++操作一次，B線程做i--操作一次，C線程通過判斷i=5時則對i進行更新新值；

2、這個時候C線程會認為i還是處于初始值，未被做過修改，但是殊不知AB線程已經都對i進行修改了一次；

3、為了解決這種線程，需要讓C知道i已經被修改過了，因此在Java1.5引進了一個AtomicStampedReference類來解決ABA問題；

4、AtomicStampedReference這個類主要是給變量追加了版本號信息，每次變量更新的話版本號都會自增加一；

5、但是有的人會認為AtomicMarkableReference也能解決ABA問題，其實不能根本解決只能在最大程度上降低ABA問題的出現；
   因為它是通過一個boolean來標記是否更改，本質就是只有true和false兩種版本來回切換，只能降低ABA問題發生的幾率，并不能阻止ABA問題的發生；
3.2、開銷大 
1、隨便拿個CAS的Java層代碼：
    public final int getAndSetInt(Object var1, long var2, int var4) {
        int var5;
        do {
            var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
        } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var4));

        return var5;
    }

2、通過這段代碼發現，如果CAS操作一直不成功的話，那么該段代碼就一直在自旋操作，會給CPU帶來比較大的執行開銷；
3.3、原子操作約束 
1、目前的CAS只能保證單個共享變量的原子操作；

2、但是對多個變量進行操作時，CAS無法保證，但是可以將多個變量封裝成一個新的對象，利用AtomicReference類來保證引用對象之間的原子性；
四、總結 
1、我們可以在一些非常簡單的操作且又不想引入鎖的場景下采用CAS實現原子操作；

2、然而想要進行非阻塞的完成某些場景也可以考慮采用CAS進行原子操作；

3、但是不推薦在非常復雜的操作中引入CAS，一來會使程序可讀性變差，二來且難以測試且會出現ABA問題。
五、下載地址

https://gitee.com/ylimhhmily/SpringCloudTutorial.git

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