程序員深夜慘遭老婆鄙視，緣由竟是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，其次是如今。
自主開發了Java學習平臺、PMP刷題小程序。目前主修Java、多線程、SpringBoot、SpringCloud、k8s。
本公衆號不限於分享技術，也會分享工具的使用、人生感悟、讀書總結。

夜黑風高的晚上，一名苦逼程序員正在瘋狂敲着鍵盤，忽然他老婆帶着一副睡眼朦朧的眼神瞟了下電腦桌面。因而有了以下對話：

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！

案例：甲看見一個三角形積木，以爲很差看，想替換成五邊形，可是乙想把積木替換成四邊形。（前提條件，只能被替換一次）

甲比較雞賊，想到了一個辦法：「我把積木帶到另一個房間裏面去替換，並上鎖，就不會被別人打擾了。」（這裏用到了排他鎖synchronized）

乙以爲甲太不厚道：「房間上了鎖，我進不去，我也看不見積木長啥樣。（因上了鎖，因此不能訪問）」

因而甲、乙想到了另一個辦法：誰先搶到積木，誰先替換，若是積木形狀變了，則不容許其餘人再次替換。（比較並替換CAS）

因而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，積木仍是三角形的，就把三角形替換成五邊形了。

  • 乙後搶到，積木已經變爲五邊形了，乙就沒機會替換了（由於甲、乙共一次替換機會）。

• 場景2：乙搶到未替換，甲替換成功

  • 假如乙先搶到了，可是忽然以爲三角形也挺好看的，沒有替換，放下積木就走開了。

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

• 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，可是以爲這個三角形是舊的，就換了另一個一摸同樣的三角形，只是積木比較新。
  • 而後甲搶到了積木，積木仍是三角形的，想到乙沒有替換，就把三角形替換成五邊形了。

老婆聽完後，以爲這三種場景都太簡單了，原來計算機這麼簡單，早知道我也去學計算機。。。

被無情鄙視了，好在老婆竟然聽懂了，不知道你們聽懂沒？

迴歸正傳，咱們用計算機術語來說下Java CAS的原理

1、Java CAS簡介

**CAS的全稱：**Compare-And-Swap（比較並交換）。比較變量的如今值與以前的值是否一致，若一致則替換，不然不替換。

**CAS的做用：**原子性更新變量值，保證線程安全。

**CAS指令：**須要有三個操做數，變量的當前值（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，處理器纔會設置V=B，不然不執行更新。

**CAS的返回指：**V的以前值。

**CAS處理過程：**原子操做，執行期間不會被其餘線程中斷，線程安全。

**CAS併發原語：**體如今Java語言中sun.misc.Unsafe類的各個方法。調用UnSafe類中的CAS方法，JVM會幫咱們實現出CAS彙編指令，這是一種徹底依賴於硬件的功能，經過它實現了原子操做。因爲CAS是一種系統原語，原語屬於操做系統用於範疇，是由若干條指令組成，用於完成某個功能的一個過程，而且原語的執行必須是連續的，在執行過程當中不容許被中斷，因此CAS是一條CPU的原子指令，不會形成所謂的數據不一致的問題，因此CAS是線程安全的。

2、能寫幾行代碼說明下嗎？

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，保證多個線程執行num++的操做，最終執行的結果與單線程一致，輸出結果爲20000。

此次咱們仍是用AtomicInteger。

首先定義atomicInteger變量的初始值等於10，主內存中的值設置爲10

AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(10);
複製代碼

而後調用atomicInteger的CAS方法，先比較當前變量atomicInteger的值是不是10，若是是，則將變量的值設置爲20

atomicInteger.compareAndSet(10, 20);
複製代碼

設置成功，atomicInteger更新爲20

當咱們再次調用atomicInteger的CAS方法，先比較當前變量atomicInteger的值是不是10，若是是，則將變量的值設置爲30

atomicInteger.compareAndSet(10, 30);
複製代碼

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

完整代碼以下：

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變量的值:%d 比較結果%s\r\n", atomicInteger.get(), result1);
        Boolean result2 = atomicInteger.compareAndSet(10,30);
        System.out.printf("當前atomicInteger變量的值:%d, 比較結果%s\n" , atomicInteger.get(), result2);
    }
}
複製代碼

執行結果以下：

當前atomicInteger變量的值:20 比較結果true
當前atomicInteger變量的值:20, 比較結果false
複製代碼

咱們來對比看下原理圖理解下上面代碼的過程

• 第一步：線程1和線程2都有主內存中變量的拷貝，值都等於10

• 第二步：線程1想要將值更新爲20，先要將工做內存中的變量值與主內存中的變量進行比較，值都等於10，因此能夠將主內存中的值替換成20

• 第三步：線程1將主內存中的值替換成20，並將線程1中的工做內存中的副本更新爲20

• 第四步：線程2想要將變量更新爲30，先要將線程2的工做內存中的值與主內存進行比較10不等於20，因此不能更新

• 第五步：線程2將工做內存的副本更新爲與主內存一致：20

圖畫得很是棒！

上述的場景和咱們用Git代碼管理工具是同樣的，若是有人先提交了代碼到develop分支，另一我的想要改這個地方的代碼，就得先pull develop分支，以避免提交時提示衝突。

3、能講下CAS底層原理嗎？

源碼調試

這裏咱們用atomicInteger的getAndIncrement()方法來說解，這個方法裏面涉及到了比較並替換的原理。

示例以下：

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

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

    atomicInteger.getAndIncrement();
}
複製代碼

• （1）首先須要開啓IDEA的多線程調試模式

• （2）咱們先打斷點到17行，main線程執行到此行，子線程aaa還未執行自增操做。

getAndIncrement方法會調用unsafe的getAndAddInt方法，

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

• （3）在源碼getAndAddInt方法的361行打上斷點，main線程先執行到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;
  }
  複製代碼

  源碼解釋： 劃重點！！！

  • var1：當前對象，咱們定義的atomicInteger
  • var2：當前對象的內存偏移量
  • var4：當前自增多少，默認爲1，且不可設爲其餘值
  • var5：當前變量的值
  • this.getIntVolatile(var1, var2)：根據當前對象var1和對象的內存偏移量var2獲得主內存中變量的值，賦值給var5，並在main線程的工做內存中存放一份var5的副本

• （4）在362行打上斷點，main線程繼續執行一步

  • var5獲取到主內存中的值爲10

• （5）切換到子線程aaa，仍是在361行斷點處，還未獲取主內存的值

• （6）子線程aaa繼續執行一步，獲取到var5的值等於10

（7）切換到main線程，進行比較並替換

this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4)
複製代碼

var5=10，經過var1和var2獲取到的值也是10，由於沒有其餘線程修改變量。compareAndSwapInt的源碼咱們後面再說。

因此比較後，發現變量沒被其餘線程修改，能夠進行替換，替換值爲var5+var4=11，變量值替換後爲 11，也就是自增1。這行代碼執行結果返回true（自增成功），退出do while循環。return值爲變量更新前的值10。

（8）切換到子線程aaa，進行比較並自增

由於此時aaa線程的var5=10，而主內存中的值已經更新爲11了，因此比較後發現被其餘線程修改了，不能進行替換，返回false，繼續執行do while循環。

• （9）子線程aaa繼續執行，從新獲取到的var=11

• （10）子線程aaa繼續執行，進行比較和替換，結果爲true

  因var5=11，主內存中的變量值也等於11，因此比較後相等，能夠進行替換，替換值爲var5+var4，結果爲12，也就是自增1。退出循環，返回變量更新前的值var5=11。

至此，getAndIncrement方法的整個原子自增的邏輯就debug完了。因此能夠得出結論：

先比較線程中的副本是否與主內存相等，相等則能夠進行自增，並返回副本的值，若其餘線程修改了主內存中的值，當前線程不能進行自增，須要從新獲取主內存的值，而後再次判斷是否與主內存中的值是否相等，以此往復。

4、CAS有什麼問題？

不知道你們發現沒，aaa線程可能會出現循環屢次的問題，由於其餘線程可能將主內存的值又改了，可是aaa線程拿到的仍是老的數據，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（由於執行的是do while，若是比較不成功一直在循環，最差的狀況，就是某個線程一直取到的值和預期值都不同，這樣就會無限循環）
• 只能保證一個共享變量的原子操做
  • 當對一個共享變量執行操做時，咱們能夠經過循環CAS的方式來保證原子操做
  • 可是對於多個共享變量操做時，循環CAS就沒法保證操做的原子性，這個時候只能用鎖來保證原子性
• 引出來ABA問題（有彩蛋）

5、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，其中還涉及到了併發鎖。而後從底層代碼一步一步debug，深刻理解了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問題沒有給你們講，另外這裏怎麼不是AAB（拖拉機），AAA（金花）？

這周前三天寫技術文章花了大量時間，少熬夜，睡覺啦 ~ 咱們下期再來說ABA問題，小夥伴們分享轉發下好嗎？您的支持是我寫做最大的動力~

悟空，一隻努力變強的碼農！我要變身超級賽亞人啦！

另外能夠搜索「悟空聊架構」或者PassJava666，一塊兒進步！

個人GitHub主頁，關注個人Spring Cloud 實戰項目《佳必過》