面试篇 —— 谈谈你对CAS的理解

2024-04-04 20:51:48

一、CAS是什么

比较后交换，为了保证原子性而进行的比较和交换。

二、CAS的使用

前面说到volatile关键字是不保证原子性的，为了满足轻量级的JMM原则，可以通过volatile + CAS实现轻量级的JMM原则（保证数据可见性、保证原子性、禁止指令重排以保证有序性原则）。例如：

public class VolatileDemo {
    // 定义volatile修饰的原子包装类
    public volatile AtomicInteger number = new AtomicInteger();
    //  实现原子整型包装类的自增i++
    public void atomicDemo() {
        number.getAndIncrement();
    }
}
    /**
     * 测试20个线程各执行1000次自增后结果
     */
    @Test
    public void atomicDemo() {
        VolatileDemo volatileDemo = new VolatileDemo();
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                    volatileDemo.atomicDemo();
                }
            }, String.valueOf(i)).start();
        }
        // 等自建的所有线程执行完成后再执行以下代码，因为程序默认存在main线程和GC垃圾回收线程， 故>2
        while (Thread.activeCount() > 2) {
            Thread.yield();
        }
        System.out.println(volatileDemo.number.get());
    }

三、CAS原理

在AtomicInteger原子整型包装类方法中，使用的关键class是Unsafe，这个类中的方法是由native修饰的，这是jdk与计算机系统之间数据操作的约定后门，类比Thread中的start方法的底层。这些类存在于jdk本身自带的rt.jar中。

四、CAS缺点

在AtomicInteger中存在方法compareAndSet

    public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
    }

参数expect是第一次取出的数值（线程从主内存copy到自己的工作内存中），update是在进行数据操作后的数值。当主内存中的数值与expect相同，则将主内存中的数值更新为update数值，并通知其他线程保证可见性，如果不同则不进行更新。这样只关注取出和结果比对的过程，有一个明显的缺陷，那就是ABA问题，ABA问题就是取出时是A，中间不管被其他线程更新多少次，只要在当前线程结果比对之前再变为A，那么就算比对成功，当前线程就还会将其数值认为一直没有变化，对其进行更新。

五、CAS实例

除了AtomicInteger之外，jdk还提供了不同类型的原子型包装类

// 整型原子包装类，默认为0
AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();
// 布尔原子包装类，默认返回false
AtomicBoolean atomicBoolean = new AtomicBoolean();
// 自定义类原子包装
AtomicReference<Object> atomicReference = new AtomicReference<>();

AtomicLong atomicLong = new AtomicLong();
// 带有版本号的自定义原子包装类，初始化需要提供版本号
AtomicStampedReference<Object> atomicStampedReference = new AtomicStampedReference<>(null, 1);

六、ABA问题的解决

使用AtomicStampedReference自定义版本原子包装类可以解决ABA问题。原理是，在存到主内存时定义一个stamped版本号，copy值到线程工作内存时连带着版本号，而主内存中的值每更新一次，版本号也跟着自增。当前线程操作完值后进行CAS（比较并交换），此时需要比较值和版本号是否都一致，这样就避免了中间过程中值更新问题。

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