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Java 中 CAS 是如何实现的？

在 Java 中，实现 CAS（Compare-And-Swap, 比较并交换）操作的一个关键类是Unsafe。

Unsafe类位于sun.misc包下，是一个提供低级别、不安全操作的类。由于其强大的功能和潜在的危险性，它通常用于 JVM 内部或一些需要极高性能和底层访问的库中，而不推荐普通开发者在应用程序中使用。关于 Unsafe类的详细介绍，可以阅读这篇文章：📌Java 魔法类 Unsafe 详解。

sun.misc包下的Unsafe类提供了compareAndSwapObject、compareAndSwapInt、compareAndSwapLong方法来实现的对Object、int、long类型的 CAS 操作：

/**
 * 以原子方式更新对象字段的值。
 *
 * @param o        要操作的对象
 * @param offset   对象字段的内存偏移量
 * @param expected 期望的旧值
 * @param x        要设置的新值
 * @return 如果值被成功更新，则返回 true；否则返回 false
 */
boolean compareAndSwapObject(Object o, long offset, Object expected, Object x);

/**
 * 以原子方式更新 int 类型的对象字段的值。
 */
boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset, int expected, int x);

/**
 * 以原子方式更新 long 类型的对象字段的值。
 */
boolean compareAndSwapLong(Object o, long offset, long expected, long x);

Unsafe类中的 CAS 方法是native方法。native关键字表明这些方法是用本地代码（通常是 C 或 C++）实现的，而不是用 Java 实现的。这些方法直接调用底层的硬件指令来实现原子操作。也就是说，Java 语言并没有直接用 Java 实现 CAS。

更准确点来说，Java 中 CAS 是 C++ 内联汇编的形式实现的，通过 JNI（Java Native Interface）调用。因此，CAS 的具体实现与操作系统以及 CPU 密切相关。

java.util.concurrent.atomic 包提供了一些用于原子操作的类。

JUC原子类概览

关于这些 Atomic 原子类的介绍和使用，可以阅读这篇文章：Atomic 原子类总结。

Atomic 类依赖于 CAS 乐观锁来保证其方法的原子性，而不需要使用传统的锁机制（如 synchronized 块或 ReentrantLock）。

AtomicInteger是 Java 的原子类之一，主要用于对 int 类型的变量进行原子操作，它利用Unsafe类提供的低级别原子操作方法实现无锁的线程安全性。

下面，我们通过解读AtomicInteger的核心源码（JDK1.8），来说明 Java 如何使用Unsafe类的方法来实现原子操作。

AtomicInteger核心源码如下：

// 获取 Unsafe 实例
private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
private static final long valueOffset;

static {
    try {
        // 获取“value”字段在AtomicInteger类中的内存偏移量
        valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
            (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
    } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}
// 确保“value”字段的可见性
private volatile int value;

// 如果当前值等于预期值，则原子地将值设置为newValue
// 使用 Unsafe#compareAndSwapInt 方法进行CAS操作
public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}

// 原子地将当前值加 delta 并返回旧值
public final int getAndAdd(int delta) {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta);
}

// 原子地将当前值加 1 并返回加之前的值（旧值）
// 使用 Unsafe#getAndAddInt 方法进行CAS操作。
public final int getAndIncrement() {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
}

// 原子地将当前值减 1 并返回减之前的值（旧值）
public final int getAndDecrement() {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, -1);
}

Unsafe#getAndAddInt源码：

// 原子地获取并增加整数值
public final int getAndAddInt(Object o, long offset, int delta) {
    int v;
    do {
        // 以 volatile 方式获取对象 o 在内存偏移量 offset 处的整数值
        v = getIntVolatile(o, offset);
    } while (!compareAndSwapInt(o, offset, v, v + delta));
    // 返回旧值
    return v;
}

可以看到，getAndAddInt 使用了 do-while 循环：在compareAndSwapInt操作失败时，会不断重试直到成功。也就是说，getAndAddInt方法会通过 compareAndSwapInt 方法来尝试更新 value 的值，如果更新失败（当前值在此期间被其他线程修改），它会重新获取当前值并再次尝试更新，直到操作成功。

由于 CAS 操作可能会因为并发冲突而失败，因此通常会与while循环搭配使用，在失败后不断重试，直到操作成功。这就是 自旋锁机制 。

CAS 算法存在哪些问题？

ABA 问题是 CAS 算法最常见的问题。

ABA 问题

如果一个变量 V 初次读取的时候是 A 值，并且在准备赋值的时候检查到它仍然是 A 值，那我们就能说明它的值没有被其他线程修改过了吗？很明显是不能的，因为在这段时间它的值可能被改为其他值，然后又改回 A，那 CAS 操作就会误认为它从来没有被修改过。这个问题被称为 CAS 操作的 "ABA"问题。

ABA 问题的解决思路是在变量前面追加上版本号或者时间戳。JDK 1.5 以后的 AtomicStampedReference 类就是用来解决 ABA 问题的，其中的 compareAndSet() 方法就是首先检查当前引用是否等于预期引用，并且当前标志是否等于预期标志，如果全部相等，则以原子方式将该引用和该标志的值设置为给定的更新值。

public boolean compareAndSet(V   expectedReference,
                             V   newReference,
                             int expectedStamp,
                             int newStamp) {
    Pair<V> current = pair;
    return
        expectedReference == current.reference &&
        expectedStamp == current.stamp &&
        ((newReference == current.reference &&
          newStamp == current.stamp) ||
         casPair(current, Pair.of(newReference, newStamp)));
}

循环时间长开销大

CAS 经常会用到自旋操作来进行重试，也就是不成功就一直循环执行直到成功。如果长时间不成功，会给 CPU 带来非常大的执行开销。

如果 JVM 能够支持处理器提供的pause指令，那么自旋操作的效率将有所提升。pause指令有两个重要作用：

延迟流水线执行指令：pause指令可以延迟指令的执行，从而减少 CPU 的资源消耗。具体的延迟时间取决于处理器的实现版本，在某些处理器上，延迟时间可能为零。
避免内存顺序冲突：在退出循环时，pause指令可以避免由于内存顺序冲突而导致的 CPU 流水线被清空，从而提高 CPU 的执行效率。

只能保证一个共享变量的原子操作

CAS 操作仅能对单个共享变量有效。当需要操作多个共享变量时，CAS 就显得无能为力。不过，从 JDK 1.5 开始，Java 提供了AtomicReference类，这使得我们能够保证引用对象之间的原子性。通过将多个变量封装在一个对象中，我们可以使用AtomicReference来执行 CAS 操作。

除了 AtomicReference 这种方式之外，还可以利用加锁来保证。

总结

在 Java 中，CAS 通过 Unsafe 类中的 native 方法实现，这些方法调用底层的硬件指令来完成原子操作。由于其实现依赖于 C++ 内联汇编和 JNI 调用，因此 CAS 的具体实现与操作系统以及 CPU 密切相关。

CAS 虽然具有高效的无锁特性，但也需要注意 ABA 、循环时间长开销大等问题。

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Java 中 CAS 是如何实现的？

CAS 算法存在哪些问题？

ABA 问题

循环时间长开销大

只能保证一个共享变量的原子操作

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