程式設計師深夜慘遭老婆鄙視，原因竟是CAS原理太簡單？| 每一張圖都力求精美

悟空
種樹比較好的時間是十年前，其次是現在。
自主開發了Java學習平台、PMP刷題小程式。目前主修Java、多執行緒、SpringBoot、SpringCloud、k8s。
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夜黑風高的晚上，一名苦逼程式設計師正在瘋狂敲著鍵盤，突然他老婆帶著一副睡眼朦朧的眼神瞟了下電腦桌面。於是有了如下對話：

老婆：這畫的圖是啥意思，怎麼還有三角形，四邊形？

我：我在畫CAS的原理，要不我跟你講一遍？

老婆：好呀！

請開始你的表演

案例：甲看見一個三角形積木，覺得不好看，想替換成五邊形，但是乙想把積木替換成四邊形。（前提條件，只能被替換一次）

案例

甲比較雞賊，想到了一個辦法：「我把積木帶到另外一個房間裡面去替換，並上鎖，就不會被別人打擾了。」（這裡用到了排他鎖synchronized）

乙覺得甲太不厚道：「房間上了鎖，我進不去，我也看不見積木長啥樣。（因上了鎖，所以不能訪問）」

甲把房間鎖住了

於是甲、乙想到了另外一個辦法：誰先搶到積木，誰先替換，如果積木形狀變了，則不允許其他人再次替換。（比較並替換CAS）

於是他們就開始搶三角形積木：

  • 場景1：甲搶到，替換成五邊形，乙不能替換

    • 假如甲先搶到了，積木還是三角形的，就把三角形替換成五邊形了。

    甲先搶到，替換成五邊形

    • 乙後搶到，積木已經變為五邊形了，乙就沒機會替換了（因為甲、乙共一次替換機會）。

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  • 場景2：乙搶到未替換，甲替換成功

    • 假如乙先搶到了，但是突然覺得三角形也挺好看的，沒有替換，放下積木就走開了。

    • 然後甲搶到了積木，積木還是三角形的，想到乙沒有替換，就把三角形替換成五邊形了。

    乙搶到未替換，甲替換成功

  • 場景3：乙搶到，替換成三角形，甲替換成五邊形，ABA問題

    • 假如乙先搶到了，但是覺得這個三角形是舊的，就換了另外一個一摸一樣的三角形，只是積木比較新。
    • 然後甲搶到了積木，積木還是三角形的，想到乙沒有替換，就把三角形替換成五邊形了。

乙搶到，替換成三角形，甲替換成五邊形，ABA問題

老婆聽完後，覺得這三種場景都太簡單了，原來電腦這麼簡單，早知道我也去學電腦。。。

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被無情鄙視了，好在老婆居然聽懂了，不知道大家聽懂沒？

回歸正傳，我們用電腦術語來講下Java CAS的原理

一、Java CAS簡介

CAS的全稱：Compare-And-Swap（比較並交換）。比較變數的現在值與之前的值是否一致，若一致則替換，否則不替換。

CAS的作用：原子性更新變數值，保證執行緒安全。

CAS指令：需要有三個操作數，變數的當前值（V），舊的預期值（A），準備設置的新值（B）。

CAS指令執行條件：當且僅當V=A時，處理器才會設置V=B，否則不執行更新。

CAS的返回指：V的之前值。

CAS處理過程：原子操作，執行期間不會被其他執行緒中斷，執行緒安全。

CAS並發原語：體現在Java語言中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體的功能，通過它實現了原子操作。由於CAS是一種系統原語，原語屬於作業系統用於範疇，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，所以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，所以CAS是執行緒安全的。

二、能寫幾行程式碼說明下嗎？

在上篇講volatile時，講到了如何使用原子整型類AtomicInteger來解決volatile的非原子性問題，保證多個執行緒執行num++的操作，最終執行的結果與單執行緒一致，輸出結果為20000。

這次我們還是用AtomicInteger。

首先定義atomicInteger變數的初始值等於10，主記憶體中的值設置為10

AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(10);

然後調用atomicInteger的CAS方法，先比較當前變數atomicInteger的值是否是10，如果是，則將變數的值設置為20

atomicInteger.compareAndSet(10, 20);

設置成功，atomicInteger更新為20

當我們再次調用atomicInteger的CAS方法，先比較當前變數atomicInteger的值是否是10，如果是，則將變數的值設置為30

atomicInteger.compareAndSet(10, 30);

設置失敗，因atomicInteger的當前值為20，而比較值是10，所以比較後，不相等，故不能進行更新。

完整程式碼如下：

package com.jackson0714.passjava.threads;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
/**
 演示CAS compareAndSet 比較並交換
 * @author: 悟空聊架構
 * @create: 2020-08-17
 */
public class CASDemo {
    public static void  main(String[] args) {
        AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(10);
        Boolean result1 = atomicInteger.compareAndSet(10,20);
        System.out.printf("當前atomicInteger變數的值:%d 比較結果%s\r\n", atomicInteger.get(), result1);
        Boolean result2 = atomicInteger.compareAndSet(10,30);
        System.out.printf("當前atomicInteger變數的值:%d, 比較結果%s\n" , atomicInteger.get(), result2);
    }
}

執行結果如下：

當前atomicInteger變數的值:20 比較結果true
當前atomicInteger變數的值:20, 比較結果false

atomicInteger比較並交換的示例結果

我們來對比看下原理圖理解下上面程式碼的過程

  • 第一步：執行緒1和執行緒2都有主記憶體中變數的拷貝，值都等於10

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  • 第二步：執行緒1想要將值更新為20，先要將工作記憶體中的變數值與主記憶體中的變數進行比較，值都等於10，所以可以將主記憶體中的值替換成20

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  • 第三步：執行緒1將主記憶體中的值替換成20，並將執行緒1中的工作記憶體中的副本更新為20

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  • 第四步：執行緒2想要將變數更新為30，先要將執行緒2的工作記憶體中的值與主記憶體進行比較10不等於20，所以不能更新

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  • 第五步：執行緒2將工作記憶體的副本更新為與主記憶體一致：20

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圖畫得非常棒！

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上述的場景和我們用Git程式碼管理工具是一樣的，如果有人先提交了程式碼到develop分支，另外一個人想要改這個地方的程式碼，就得先pull develop分支，以免提交時提示衝突。

三、能講下CAS底層原理嗎？

源碼調試

這裡我們用atomicInteger的getAndIncrement()方法來講解，這個方法裡面涉及到了比較並替換的原理。

示例如下：

public static void  main(String[] args) throws InterruptedException {
    AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(10);
    Thread.sleep(100);

    new Thread(() -> {
        atomicInteger.getAndIncrement();
    }, "aaa").start();

    atomicInteger.getAndIncrement();
}

  • （1）首先需要開啟IDEA的多執行緒調試模式

  • （2）我們先打斷點到17行，main執行緒執行到此行，子執行緒aaa還未執行自增操作。

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getAndIncrement方法會調用unsafe的getAndAddInt方法，

public final int getAndIncrement() {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
}

  • （3）在源碼getAndAddInt方法的361行打上斷點，main執行緒先執行到361行

    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;
}

    源碼解釋： 劃重點！！！

    • var1：當前對象，我們定義的atomicInteger
    • var2：當前對象的記憶體偏移量
    • var4：當前自增多少，默認為1，且不可設為其他值
    • var5：當前變數的值
    • this.getIntVolatile(var1, var2)：根據當前對象var1和對象的記憶體偏移量var2得到主記憶體中變數的值，賦值給var5，並在main執行緒的工作記憶體中存放一份var5的副本

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  • （4）在362行打上斷點，main執行緒繼續執行一步

    • var5獲取到主記憶體中的值為10

    2

  • （5）切換到子執行緒aaa，還是在361行斷點處，還未獲取主記憶體的值

    3

  • （6）子執行緒aaa繼續執行一步，獲取到var5的值等於10

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（7）切換到main執行緒，進行比較並替換

this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4)

var5=10，通過var1和var2獲取到的值也是10，因為沒有其他執行緒修改變數。compareAndSwapInt的源碼我們後面再說。

所以比較後，發現變數沒被其他執行緒修改，可以進行替換，替換值為var5+var4=11，變數值替換後為 11，也就是自增1。這行程式碼執行結果返回true（自增成功），退出do while循環。return值為變數更新前的值10。

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（8）切換到子執行緒aaa，進行比較並自增

因為此時aaa執行緒的var5=10，而主記憶體中的值已經更新為11了，所以比較後發現被其他執行緒修改了，不能進行替換，返回false，繼續執行do while循環。

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  • （9）子執行緒aaa繼續執行，重新獲取到的var=11

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  • （10）子執行緒aaa繼續執行，進行比較和替換，結果為true

    因var5=11，主記憶體中的變數值也等於11，所以比較後相等，可以進行替換，替換值為var5+var4，結果為12，也就是自增1。退出循環，返回變數更新前的值var5=11。

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至此，getAndIncrement方法的整個原子自增的邏輯就debug完了。所以可以得出結論：

先比較執行緒中的副本是否與主記憶體相等，相等則可以進行自增，並返回副本的值，若其他執行緒修改了主記憶體中的值，當前執行緒不能進行自增，需要重新獲取主記憶體的值，然後再次判斷是否與主記憶體中的值是否相等，以此往複。

四、CAS有什麼問題？

不知道大家發現沒，aaa執行緒可能會出現循環多次的問題，因為其他執行緒可能將主記憶體的值又改了，但是aaa執行緒拿到的還是老的數據，就會出現再循環一次，就會給CPU帶來性能開銷。這個就是自旋。

  • 頻繁出現自旋，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，就是某個執行緒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數的原子操作
    • 當對一個共享變數執行操作時，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數操作時，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（有彩蛋）

五、小結

本篇從和老婆的對話開始，以通俗的語言給老婆講了CAS問題，其中還涉及到了並發鎖。然後從底層程式碼一步一步debug，深入理解了CAS的原理。

每一張圖都力求精美！分享+在看啊，大佬們！

彩蛋：還有一個ABA問題沒有給大家講，另外這裡怎麼不是AAB（拖拉機），AAA（金花）？

4個A

這周前三天寫技術文章花了大量時間，少熬夜，睡覺啦 ~ 我們下期再來講ABA問題，小夥伴們分享轉發下好嗎？您的支援是我寫作最大的動力~

悟空，一隻努力變強的碼農！我要變身超級賽亞人啦！

悟空

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