導讀前言CAS（CompareandSwap），即比較并替換，實現并發算法時常用到的一種技術，Douglea大神在java同步器中大量使用了CAS技術，鬼斧神工....

前言

CAS（Compare and Swap），即比較并替換，實現并發算法時常用到的一種技術，Doug lea大神在java同步器中大量使用了CAS技術，鬼斧神工的實現了多線程執行的安全性。

CAS的思想很簡單：三個參數，一個當前內存值V、舊的預期值A、即將更新的值B，當且僅當預期值A和內存值V相同時，將內存值修改為B并返回true，否則什么都不做，并返回false。

問題

一個n 的問題。

public class Case { public volatile int n; public void add() { n ; }}

通過javap -verbose Case看看add方法的字節碼指令

public void add(); flags: ACC_PUBLIC Code: stack=3, locals=1, args_size=1 0: aload_0 1: dup 2: getfield #2 // Field n:I 5: iconst_1 6: iadd 7: putfield #2 // Field n:I 10: return

n 被拆分成了幾個指令：

1. 執行getfield拿到原始n；
2. 執行iadd進行加1操作；
3. 執行putfield寫把累加后的值寫回n；

通過volatile修飾的變量可以保證線程之間的可見性，但并不能保證這3個指令的原子執行，在多線程并發執行下，無法做到線程安全，得到正確的結果，那么應該如何解決呢？

如何解決

在add方法加上synchronized修飾解決。

public class Case { public volatile int n; public synchronized void add() { n ; }}

這個方案當然可行，但是性能上差了點，還有其它方案么？

再來看一段代碼

public int a = 1;public boolean compareAndSwapInt(int b) { if (a == 1) { a = b; return true; } return false;}

如果這段代碼在并發下執行，會發生什么？

假設線程1和線程2都過了a==1的檢測，都準備執行對a進行賦值，結果就是兩個線程同時修改了變量a，顯然這種結果是無法符合預期的，無法確定a的最終值。

解決方法也同樣暴力，在compareAndSwapInt方法加鎖同步，變成一個原子操作，同一時刻只有一個線程才能修改變量a。

除了低性能的加鎖方案，我們還可以使用JDK自帶的CAS方案，在CAS中，比較和替換是一組原子操作，不會被外部打斷，且在性能上更占有優勢。

下面以AtomicInteger的實現為例，分析一下CAS是如何實現的。

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable { // setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updates private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe(); private static final long valueOffset; static { try { valueOffset = unsafe.objectFieldOffset (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value")); } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); } } private volatile int value; public final int get() {return value;}}

1. Unsafe，是CAS的核心類，由于Java方法無法直接訪問底層系統，需要通過本地（native）方法來訪問，Unsafe相當于一個后門，基于該類可以直接操作特定內存的數據。
2. 變量valueOffset，表示該變量值在內存中的偏移地址，因為Unsafe就是根據內存偏移地址獲取數據的。
3. 變量value用volatile修飾，保證了多線程之間的內存可見性。

看看AtomicInteger如何實現并發下的累加操作：

public final int getAndAdd(int delta) { return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta);}//unsafe.getAndAddIntpublic 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;}

假設線程A和線程B同時執行getAndAdd操作（分別跑在不同CPU上）：

1. AtomicInteger里面的value原始值為3，即主內存中AtomicInteger的value為3，根據Java內存模型，線程A和線程B各自持有一份value的副本，值為3。
2. 線程A通過getIntVolatile(var1, var2)拿到value值3，這時線程A被掛起。
3. 線程B也通過getIntVolatile(var1, var2)方法獲取到value值3，運氣好，線程B沒有被掛起，并執行compareAndSwapInt方法比較內存值也為3，成功修改內存值為2。
4. 這時線程A恢復，執行compareAndSwapInt方法比較，發現自己手里的值(3)和內存的值(2)不一致，說明該值已經被其它線程提前修改過了，那只能重新來一遍了。
5. 重新獲取value值，因為變量value被volatile修飾，所以其它線程對它的修改，線程A總是能夠看到，線程A繼續執行compareAndSwapInt進行比較替換，直到成功。

整個過程中，利用CAS保證了對于value的修改的并發安全，繼續深入看看Unsafe類中的compareAndSwapInt方法實現。

public final native boolean compareAndSwapInt(Object paramObject, long paramLong, int paramInt1, int paramInt2);

Unsafe類中的compareAndSwapInt，是一個本地方法，該方法的實現位于unsafe.cpp中

UNSAFE_ENTRY(jboolean, Unsafe_CompareAndSwapInt(JNIEnv *env, jobject unsafe, jobject obj, jlong offset, jint e, jint x)) UnsafeWrapper("Unsafe_CompareAndSwapInt"); oop p = JNIHandles::resolve(obj); jint* addr = (jint *) index_oop_from_field_offset_long(p, offset); return (jint)(Atomic::cmpxchg(x, addr, e)) == e;UNSAFE_END

1. 先想辦法拿到變量value在內存中的地址。
2. 通過Atomic::cmpxchg實現比較替換，其中參數x是即將更新的值，參數e是原內存的值。

如果是Linux的x86，Atomic::cmpxchg方法的實現如下：

inline jint Atomic::cmpxchg (jint exchange_value, volatile jint* dest, jint compare_value) { int mp = os::is_MP(); __asm__ volatile (lock_IF_MP(%4) "cmpxchgl %1,(%3)" : "=a" (exchange_value) : "r" (exchange_value), "a" (compare_value), "r" (dest), "r" (mp) : "cc", "memory"); return exchange_value;}

看到這匯編，內心崩潰

__asm__表示匯編的開始

volatile表示禁止編譯器優化

LOCK_IF_MP是個內聯函數

#define LOCK_IF_MP(mp) "cmp $0, " #mp "; je 1f; lock; 1: "

Window的x86實現如下：

inline jint Atomic::cmpxchg (jint exchange_value, volatile jint* dest, jint compare_value) { int mp = os::isMP(); //判斷是否是多處理器 _asm { mov edx, dest mov ecx, exchange_value mov eax, compare_value LOCK_IF_MP(mp) cmpxchg dword ptr [edx], ecx }}// Adding a lock prefix to an instruction on MP machine// VC doesnt like the lock prefix to be on a single line// so we cant insert a label after the lock prefix.// By emitting a lock prefix, we can define a label after it.#define LOCK_IF_MP(mp) __asm cmp mp, 0 __asm je L0 __asm _emit 0xF0 __asm L0:

LOCK_IF_MP根據當前系統是否為多核處理器決定是否為cmpxchg指令添加lock前綴。

1. 如果是多處理器，為cmpxchg指令添加lock前綴。
2. 反之，就省略lock前綴。（單處理器會不需要lock前綴提供的內存屏障效果）

Intel手冊對lock前綴的說明如下：

1. 確保后續指令執行的原子性。
2. 在Pentium及之前的處理器中，帶有lock前綴的指令在執行期間會鎖住總線，使得其它處理器暫時無法通過總線訪問內存，很顯然，這個開銷很大。在新的處理器中，Intel使用緩存鎖定來保證指令執行的原子性，緩存鎖定將大大降低lock前綴指令的執行開銷。
3. 禁止該指令與前面和后面的讀寫指令重排序。
4. 把寫緩沖區的所有數據刷新到內存中。

上面的第2點和第3點所具有的內存屏障效果，保證了CAS同時具有volatile讀和volatile寫的內存語義。

CAS缺點

CAS存在一個很明顯的問題，即ABA問題。

問題：如果變量V初次讀取的時候是A，并且在準備賦值的時候檢查到它仍然是A，那能說明它的值沒有被其他線程修改過了嗎？

如果在這段期間曾經被改成B，然后又改回A，那CAS操作就會誤認為它從來沒有被修改過。針對這種情況，java并發包中提供了一個帶有標記的原子引用類AtomicStampedReference，它可以通過控制變量值的版本來保證CAS的正確性。