CAS原理解析
CAS底層原理
概念
CAS的全稱是Compare-And-Swap，它是CPU並發原語
它的功能是判斷內存某個位置的值是否為預期值，如果是則更改為新的值，這個過程是原子的
CAS並發原語體現在Java語言中就是sun.misc.Unsafe類的各個方法。調用UnSafe類中的CAS方法，JVM會幫我們實現出CAS彙編指令，這是一種完全依賴於硬件的功能，通過它實現了原子操作，再次強調，由於CAS是一種系統原語，原語屬於操作系統應用範疇，是由若干條指令組成，用於完成某個功能的一個過程，並且原語的執行必須是連續的，在執行過程中不允許被中斷，也就是說CAS是一條CPU的原子指令，不會造成所謂的數據不一致的問題，也就是說CAS是線程安全的。
代碼使用
首先調用AtomicInteger創建了一個實例， 並初始化為10
// 創建一個原子類
AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(10);
然後調用CAS方法，企圖更新成2020，這裡有兩個參數，一個是10，表示期望值，第二個就是我們要更新的值
atomicInteger.compareAndSet(10, 2020)
然後再次使用了一個方法，同樣將值改成2021
atomicInteger.compareAndSet(10, 2021)
完整代碼如下：
/**
* CAS 比較並交換
* @author xiao
* @date 2020/4/23 9:14
*/
public class CASDemo {
public static void main(String[] args) {
AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(10);
/**
* 一個是期望值，一個是更新值，但期望值和原來的值相同時，才能夠更改
* 假設拿的是10，也就是expect為5，然後我需要更新成 2020
*/
System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(10, 2020)+"\t當前的值為:"+atomicInteger.get());
System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(10, 2021)+"\t當前的值為:"+atomicInteger.get());
}
}
上面代碼的執行結果為
這是因為我們執行第一個的時候，期望值和原本值是滿足的，因此修改成功，但是第二次後，主內存的值已經修改成了2020，不滿足期望值，因此返回了false，本次寫入失敗
這個就類似於SVN或者Git的版本號，如果沒有人更改過，就能夠正常提交，否者需要先將代碼pull下來，合併代碼後，然後提交
CAS底層原理
首先我們先看看 atomicInteger.getAndIncrement()方法的源碼
從這裡能夠看到，底層又調用了一個unsafe類的getAndAddInt方法
1、unsafe類
Unsafe是CAS的核心類，由於Java方法無法直接訪問底層系統，需要通過本地（Native）方法來訪問，Unsafe相當於一個後門，基於該類可以直接操作特定的內存數據。Unsafe類存在sun.misc包中，其內部方法操作可以像C的指針一樣直接操作內存，因為Java中的CAS操作的執行依賴於Unsafe類的方法。
注意Unsafe類的所有方法都是native修飾的，也就是說unsafe類中的方法都直接調用操作系統底層資源執行相應的任務
為什麼Atomic修飾的包裝類，能夠保證原子性，依靠的就是底層的unsafe類
2、變量valueOffset
表示該變量值在內存中的偏移地址，因為Unsafe就是根據內存偏移地址獲取數據的。
從這裡我們能夠看到，通過valueOffset，直接通過內存地址，獲取到值，然後進行加1的操作
3、變量value用volatile修飾
保證了多線程之間的內存可見性
var5：就是我們從主內存中拷貝到工作內存中的值
那麼操作的時候，需要比較工作內存中的值，和主內存中的值進行比較
假設執行 compareAndSwapInt返回false，那麼就一直執行 while方法，直到期望的值和真實值一樣
- val1：AtomicInteger對象本身
- var2：該對象值得引用地址
- var4：需要變動的數量
- var5：用var1和var2找到的內存中的真實值
- 用該對象當前的值與var5比較
- 如果相同，更新var5 + var4 並返回true
- 如果不同，繼續取值然後再比較，直到更新完成
這裡沒有用synchronized，而用CAS，這樣提高了並發性，也能夠實現一致性，是因為每個線程進來後，進入的do while循環，然後不斷的獲取內存中的值，判斷是否為最新，然後在進行更新操作。
假設線程A和線程B同時執行getAndInt操作（分別跑在不同的CPU上）
- AtomicInteger裏面的value原始值為3，即主內存中AtomicInteger的 value 為3，根據JMM模型，線程A和線程B各自持有一份價值為3的副本，分別存儲在各自的工作內存
- 線程A通過getIntVolatile(var1 , var2) 拿到value值3，這是線程A被掛起（該線程失去CPU執行權）
- 線程B也通過getIntVolatile(var1, var2)方法獲取到value值也是3，此時剛好線程B沒有被掛起，並執行了compareAndSwapInt方法，比較內存的值也是3，成功修改內存值為4，線程B打完收工，一切OK
- 這是線程A恢復，執行CAS方法，比較發現自己手裡的數字3和主內存中的數字4不一致，說明該值已經被其它線程搶先一步修改過了，那麼A線程本次修改失敗，只能夠重新讀取後在來一遍了，也就是在執行do while
- 線程A重新獲取value值，因為變量value被volatile修飾，所以其它線程對它的修改，線程A總能夠看到，線程A繼續執行compareAndSwapInt進行比較替換，直到成功。
Unsafe類 + CAS思想： 也就是自旋，自我旋轉
底層彙編
Unsafe類中的compareAndSwapInt是一個本地方法，該方法的實現位於unsafe.cpp中
- 先想辦法拿到變量value在內存中的地址
- 通過Atomic::cmpxchg實現比較替換，其中參數X是即將更新的值，參數e是原內存的值
CAS缺點
CAS不加鎖，保證一次性，但是需要多次比較
- 循環時間長，開銷大（因為執行的是do while，如果比較不成功一直在循環，最差的情況，就是某個線程一直取到的值和預期值都不一樣，這樣就會無限循環）
- 只能保證一個共享變量的原子操作
- 當對一個共享變量執行操作時，我們可以通過循環CAS的方式來保證原子操作
- 但是對於多個共享變量操作時，循環CAS就無法保證操作的原子性，這個時候只能用鎖來保證原子性
- 引出來ABA問題？
ABA問題
。。。。。。。。。
總結
CAS
CAS是compareAndSwap，比較當前工作內存中的值和主物理內存中的值，如果相同則執行規定操作，否者繼續比較直到主內存和工作內存的值一致為止
CAS應用
CAS有3個操作數，內存值V，舊的預期值A，要修改的更新值B。當且僅當預期值A和內存值V相同時，將內存值V修改為B，否者什麼都不做
