CAS原理分析

CAS

CAS:Compare and Swap, 翻译成比较并交换。

在java.util.concurrent大量使用了CAS算法来实现非阻塞并发。CAS有3个操作数，内存值V，旧的预期值A，要修改的新值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。下面看下Java并发包中的原子类是如何实现。

private volatile int value;
public final int get() {
return value;
}
* Atomically sets to the given value and returns the old value.
*
* @param newValue the new value
* @return the previous value
*/
public final int getAndSet(int newValue) {
for (;;) {
int current = get();
if (compareAndSet(current, newValue))
return current;
}
}
public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}

compareAndSet(int expect, int update),

在这里采用了CAS操作，每次从内存中读取数据然后将此数据和+1后的结果进行CAS操作，如果成功就返回结果，否则重试直到成功为止。

而compareAndSet利用JNI来完成CPU指令的操作.整体的过程就是这样子的，利用CPU的CAS指令，同时借助JNI来完成Java的非阻塞算法。

其它原子操作都是利用类似的特性完成的,其中unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);是Unsafe中的一个Native方法。

可以看出，到此为止与Java实现相关的都到这里结束了。下面看看这个Native方法，该方法底层是用C++实现：

UNSAFE_ENTRY(jboolean, Unsafe_CompareAndSwapInt(JNIEnv *env, jobject unsafe, jobject obj, jlong offset, jint e, jint x))
UnsafeWrapper("Unsafe_CompareAndSwapInt");
oop p = JNIHandles::resolve(obj);
jint* addr = (jint *) index_oop_from_field_offset_long(p, offset);
return (jint)(Atomic::cmpxchg(x, addr, e)) == e;
UNSAFE_END

这里实际调用的是cmpxchg(x, addr, e),这个函数涉及到了Cpu架构指令，网上找了这个函数的代码，可以看出在这个函数中已近嵌入了汇编代码了,也就是说CAS是在CPU指令级别实现的。

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)
cmpxchg dword ptr [edx], ecx
}
}

CAS虽然能够实现高效并发，而且JDK并发包中很多类都使用了CAS来实现非阻塞并发，CAS也是有一定的缺点，常见的ABA问题已经可以通过版本号来解决，但是如果CAS一直不成功

那么将会严重耗费CPU资源。

（完）