话说CAS

2021 年 3 月 8 日
笔记
cas, JAVA, 无锁, 自旋锁

一、前言

cas 一般认为是compare and swap 也可以认为是compare and set
cas涉及三个值
1）P 变量内存地址
2）E 期望值 ,CPU做计算之前拿出来的旧值
3) X 需要设置的新值

原子操作为：拿出内存地址当前的值A ,比较A == E ? 是：设置P内存的值为X 否：结束。。失败

(1) 第一篇话说synchronized 画过CAS的流程图咱们再来一张？

(2) CAS面试经常问的一个是ABA 问题什么是ABA ? 上图

(3) 有人说ABA 不影响啊我反正期望的值是A 你最后是A就得了呗

这个还要看具体的业务，拿生活中例子来说，银行职员小孙，偷拿了银行100万，

然后去投资赚了20万，最后把100万还回去。你细品。。银行能允许吗

（4）ABA 的解决方案版本 version 怎么解决？

二、DEMO

1. CAS 简单使用

假如有一个值 int count ，2个线程每个线程给count加5000次 1
按道理说每个人给你5000 你应该有1万块

public class CasTest {
    public  static int count = 0;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        new Sub("第一个").start();
        new Sub("第二个").start();

        TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
        System.out.println("count="+CasTest.count);
    }
}

class Sub extends  Thread{
    private String name;
    public Sub(String name) {
        this.name = name;
    }
    public void run() {
        System.out.println(name+"开始+");
        for (int i = 0; i < 5000; i++) {
            try {
                CasTest.count = CasTest.count+1;
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        System.out.println(name+"加完了..");
    }
}

执行结果：
第一个开始+
第二个开始+
第一个加完了..
第二个加完了..
count=6811

解决方案1 加锁synchronized 或者 lock 都可以

public class CasTest02 {
    public  static Integer count = 0;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        new Sub02("第一个").start();
        new Sub02("第二个").start();

        TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
        System.out.println("count="+CasTest02.count);
    }
}

class Sub02 extends  Thread{
    private String name;
    public Sub02(String name) {
        this.name = name;
    }
    public void run() {
        System.out.println(name+"开始+");
        for (int i = 0; i < 500; i++) {
            try {
                // 加锁
                synchronized (CasTest02.class) {
                    CasTest02.count = CasTest02.count+1;
                }
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        System.out.println(name+"加完了..");
    }
}

解决方案2： CAS java自带的原子类 AtomicInteger

读者读到这里可以了解一下LongAdder

public class CasTest03 {
    public  static AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        new Sub03("第一个").start();
        new Sub03("第二个").start();

        TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
        System.out.println("count="+CasTest03.count);
    }
}

class Sub03 extends  Thread{
    private String name;
    public Sub03(String name) {
        this.name = name;
    }
    public void run() {
        System.out.println(name+"开始+");
        for (int i = 0; i < 5000; i++) {
            // 加锁
            CasTest03.count.incrementAndGet();
        }
        System.out.println(name+"加完了..");
    }
}
执行结果：
第一个开始+
第二个开始+
第二个加完了..
第一个加完了..
count=10000

2. ABA 问题

这里简单复现一个ABA问题可能不是很精确读者朋友体会意思即可

public class CasTest04 {
    public  static AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        new Thread(()->{

            count.compareAndSet(0,1);
            count.compareAndSet(1,0);
            System.out.println("线程1 把count从0 修改为1  再从1  修改为0  ");
        },"线程1").start();

        new Thread(()->{
           try {
               TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
               // 这里是0  但是已经不是他所希望的那个0 了
               count.compareAndSet(0,4);
               System.out.println("线程2 把count 从0 修改为4");
           } catch (Exception e) {
               e.printStackTrace();
           }
        },"线程2").start();

        TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
        System.out.println("count="+count);
    }
}
执行结果：
线程1 把count从0 修改为1  再从1  修改为0  
线程2 把count 从0 修改为4
count=4

ABA解决 加版本

public class CasTest05 {
    public  static AtomicStampedReference<Integer> count = new AtomicStampedReference<>(0,0);
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        new Thread(()->{
            try {
                // 等1秒  让线程2拿到版本
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                boolean res = count.compareAndSet(
                    0, 
                    1, 
                    count.getStamp(), 
                    count.getStamp() + 1);
                boolean res2 = count.compareAndSet
                    (1, 
                     0, 
                     count.getStamp(), 
                     count.getStamp() + 1);
                System.out.println("线程1 把count从0 修改为1  再从1  修改为0  "
                                   + ( res2 ? "成功！":"失败！"));
            }catch (Exception r){
                r.printStackTrace();
            }

        },"线程1").start();

        new Thread(()->{
           try {
               // 版本 
               int stamp = count.getStamp();
               TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
               // 这里是0  但是已经不是他所希望的那个0 了  版本已经变了 
               boolean res = count.compareAndSet(0,4,stamp,stamp+1);
               System.out.println("线程2 把count 从0 修改为4" 
                                  + ( res ? "  成功！":"  失败！"));
           } catch (Exception e) {
               e.printStackTrace();
           }
        },"线程2").start();

        TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
        System.out.println("count="+count.getReference());
    }
}

三、假装学术讨论

/**
 * @author 木子的昼夜
 */
public class CasTest {
    public static void main(String[] args) {
        // JUC包里的原子类  线程安全的 
        AtomicInteger ai = new AtomicInteger();
        // 加1 并返回 
        Integer res = ai.incrementAndGet();
        System.out.println(res);
        
        // 上边这句话的意思相当于 
        int i = 0;
        i = i+1;
        int resi = i;
        System.out.println(resi);
    }
}

 /**
     * Atomically increments by one the current value.
     * 当前值自动加1 
     * @return the updated value 
     * 返回更新了的值
     */
    public final int incrementAndGet() {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
	}

	// Unsafe.java#getAndAddInt
    public final int getAndAddInt(Object obj, long offset, int step) {
        int E;
        do {
            var5 = this.getIntVolatile(obj, offset);
            // 这里不一定能一次就成功哦  会执行多次 
            // 跟一个姑娘表白 一次不成 你就灰溜溜走了 ？ 活该单身..
        } while(!this.compareAndSwapInt(obj, offset, E, E + step));

        return var5;
    }
	// Unsafe.java#getIntVolatile 这个方法是获 对象obj 内存开始地址 相对偏移位置offset 对应的值
    // 说白了 就是获取对象对应字段的值 
	public native int getIntVolatile(Object obj, long offset);

    // 
	public final native boolean compareAndSwapInt(
        Object obj,  // 被修改属性的对象 
        long offset, // 被修改字段相对于当前对象内存首地址偏移量 可以通过他直接去内存拿数据
        int E, // 期望值 
        int X);// 需要设置的新值

// obj设置属性的对象 offset 字段相对于类内存起始位置偏移量  e期望值  x要设置的值 
UNSAFE_ENTRY(jboolean, Unsafe_CompareAndSetInt(JNIEnv *env, jobject unsafe, jobject obj, jlong offset, jint e, jint x)) {
  // 转换对象格式 jobject- > oop 
  oop p = JNIHandles::resolve(obj);
  if (p == NULL) {
     // 获取filed对应的内存地址 对象起始地址+偏移量
    volatile jint* addr = (volatile jint*)index_oop_from_field_offset_long(p, offset);
    // 把addr内存对应的值 设置为x 前提是内存值要等于e 
    return RawAccess<>::atomic_cmpxchg(addr, e, x) == e;
  } else {
    // 
    assert_field_offset_sane(p, offset);
    return HeapAccess<>::atomic_cmpxchg_at(p, (ptrdiff_t)offset, e, x) == e;
  }
} UNSAFE_END
// 这里就调用了 atomic_cmpxchg： 系统方法 ： 原子比较并交换计数值。
atomic_cmpxchg(void* addr, T compare_value, T new_value) {
	if (is_hardwired_primitive<decorators>()) {
        const DecoratorSet expanded_decorators = decorators | AS_RAW;
        return PreRuntimeDispatch::atomic_cmpxchg<expanded_decorators>
            (addr, compare_value, new_value);
    } else {
        return RuntimeDispatch<decorators, T, BARRIER_ATOMIC_CMPXCHG>::atomic_cmpxchg
            (addr, compare_value, new_value);
      }
}

再底层就是系统级别的实现了，CPU 实现Atomic ，我也是看文章看得，说是有2中方式

使用总线锁总线就是老大 CPU小c 给总线发一个LOCK信号总线收到之后小c就独占共享内存了，其他CPU
就没有使用权限了，数据夸缓存行时使用总线锁这时候不能用缓存锁
使用缓存锁大多数时候我们只需要保证对某一块内存的操作时原子性即可，缓存锁就是如果内存区域被缓存再处理器的缓存行中，并且操作的时候缓存行被锁定了，那么当处理器计算完回写到内存时，处理器就把缓存行的地址修改了，如果这时有两一个处理器回写数据到缓存行，咦？失效了。。

下边连接是我准备写文章的目录，如果有读者觉得需要添加，请微信公众直接发消息给我。

//www.processon.com/view/link/5f57817963768959e2dc7dca

最后附上自己公众号刚开始写愿一起进步：

注意：以上文字仅代表个人观点，仅供参考，如有问题还请指出，立即马上连滚带爬的从被窝里出来改正。

Tags: cas JAVA 无锁自旋锁

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2. ABA 问题

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