高并发系列——CAS操作及CPU底层操作解析
CAS（Compare-and-Swap），即比較并替換，是一種實現并發算法時常用到的技術，Java并發包中的很多類都使用了CAS技術。CAS也是現在面試經常問的問題，本文將深入的介紹CAS的原理。
一、簡單實例
一個方法實現i++時，如下面的getAndIncrement1()方法，多線程調用時，會出現并發安全問題。這時，可以通過synchronized關鍵字顯式加鎖保證并發安全。
在JAVA并發包中，提供了很多的Atomic原子類，也可以保證線程安全，比如getAndIncrement2()中的AtomicInteger.getAndIncrement()方法。
package com.wuxiaolong.concurrent;import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;/*** Description:** @author 諸葛小猿* @date 2020-09-14*/ public class Test1 {public static int i = 0;/*** 加鎖保證多線程調用的并發安全* @return*/public synchronized static int getAndIncrement1(){i++;return i;}/*** AtomicInteger是線程安全的 * @return*/public static int getAndIncrement2(){AtomicInteger ai = new AtomicInteger();int in = ai.getAndIncrement();return in;} }二、什么是CAS
CAS：compare and swap或compare and exchange，比較和交互。作用是保證在沒有鎖的情況下，多個線程對一個值的更新是線程安全的。
CAS過程：它包含三個參數CAS(V,E,N)，V表示要更新的變量，E表示預期值，N表示新值，僅當V值等于E值時，才會將V值設置為N值，如果V值和E值不同，說明已經有其他線程做了更新，則當前線程什么都不做。
如果使用CAS實現i++這個操作，可以有如下幾步：
1.讀取當前i的值(比如i=0)，記為E
2.計算i++的值為1，記為V
3.再次讀取i的值，記為N。
4.如果E==N，則將i的值更新為1，否則不更新。
CAS的過程很像樂觀鎖，樂觀鎖認為發生線程安全問題的概率比較小，所以不用直接加鎖，只是更新數據時比較一下原來的數據有沒有發生變化。
上面第四步中，如果E==N，并不能說明i的值沒有改變過，可能一個線程執行第四步的時候，另一個線程將i改變后又變回來了，對于第一個線程來說，并不知道這個中間過程的存在。這個現象就是ABA問題。
ABA問題如何解決？其實也很簡單，給i加一個版本號字段，每次i有變化都對版本號加1，每次更新i的時候除了比較E值，還比較版本號是否一致。這樣就解決了ABA問題。在實際開發過程中，如果ABA問題對業務沒有影響，就不用考慮這個問題。
三、CAS在AtomicInteger中的使用
CAS的底層實現、synchronized的底層實現、volatile的底層實現都是一樣的。我們以上面提到的AtomicInteger類說明。
AtomicInteger是線程安全的，通常說AtomicInteger是無鎖或自旋鎖。這就是CAS在JDK中的應用。
AtomicInteger.getAndIncrement()方法的源碼：
/*** Atomically increments by one the current value.** @return the previous value*/public final int getAndIncrement() {return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);}Unsafe.getAndAddInt()源碼：
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;}Unsafe.compareAndSwapInt()源碼：
public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);這個方法是native修飾的，在JDK中就看不到源碼實現了。由于java代碼是在JVM中執行的，Oracle的JVM是Hotspot， 如果要看native方法的實現，可以找Hotspot的源碼，這個源碼是C和C++寫的。Unsafe.java這個類的源碼對應Hotspot源碼中unsafe.cpp，這個是C++寫的。
四、CAS的底層實現
CAS的底層實現，就必須了解Hotspot的源碼。可以在查看OpenJdk的代碼，這里就可以找到各種版本的源碼。我們以jdk8u為中的unsafe.cpp為例，繼續分析compareAndSwapInt方法。
// 地址：http://hg.openjdk.java.net/jdk8u/jdk8u/hotspot/file/a0eb08e2db5a/src/share/vm/prims/unsafe.cppUNSAFE_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可以看到調用到了Atomic::cmpxchg方法，繼續分析找到這個方法：
// 地址：http://hg.openjdk.java.net/jdk8u/jdk8u/hotspot/file/a0eb08e2db5a/src/share/vm/runtime/atomic.cppjbyte Atomic::cmpxchg(jbyte exchange_value, volatile jbyte* dest, jbyte compare_value) {assert(sizeof(jbyte) == 1, "assumption.");uintptr_t dest_addr = (uintptr_t)dest;uintptr_t offset = dest_addr % sizeof(jint);volatile jint* dest_int = (volatile jint*)(dest_addr - offset);jint cur = *dest_int;jbyte* cur_as_bytes = (jbyte*)(&cur);jint new_val = cur;jbyte* new_val_as_bytes = (jbyte*)(&new_val);new_val_as_bytes[offset] = exchange_value;while (cur_as_bytes[offset] == compare_value) {//關鍵方法jint res = cmpxchg(new_val, dest_int, cur); if (res == cur) break;cur = res;new_val = cur;new_val_as_bytes[offset] = exchange_value;}return cur_as_bytes[offset]; }各種系統下各種cpu架構，都有相關的實現方法，具體的文件名稱如下：
// 地址：http://hg.openjdk.java.net/jdk8u/jdk8u/hotspot/file/a0eb08e2db5a/src/share/vm/runtime/atomic.inline.hpp#ifndef SHARE_VM_RUNTIME_ATOMIC_INLINE_HPP #define SHARE_VM_RUNTIME_ATOMIC_INLINE_HPP#include "runtime/atomic.hpp"// Linux #ifdef TARGET_OS_ARCH_linux_x86 # include "atomic_linux_x86.inline.hpp" #endif #ifdef TARGET_OS_ARCH_linux_sparc # include "atomic_linux_sparc.inline.hpp" #endif #ifdef TARGET_OS_ARCH_linux_zero # include "atomic_linux_zero.inline.hpp" #endif #ifdef TARGET_OS_ARCH_linux_arm # include "atomic_linux_arm.inline.hpp" #endif #ifdef TARGET_OS_ARCH_linux_ppc # include "atomic_linux_ppc.inline.hpp" #endif// Solaris #ifdef TARGET_OS_ARCH_solaris_x86 # include "atomic_solaris_x86.inline.hpp" #endif #ifdef TARGET_OS_ARCH_solaris_sparc # include "atomic_solaris_sparc.inline.hpp" #endif// Windows #ifdef TARGET_OS_ARCH_windows_x86 # include "atomic_windows_x86.inline.hpp" #endif// AIX #ifdef TARGET_OS_ARCH_aix_ppc # include "atomic_aix_ppc.inline.hpp" #endif// BSD #ifdef TARGET_OS_ARCH_bsd_x86 # include "atomic_bsd_x86.inline.hpp" #endif #ifdef TARGET_OS_ARCH_bsd_zero # include "atomic_bsd_zero.inline.hpp" #endif#endif // SHARE_VM_RUNTIME_ATOMIC_INLINE_HPP在src/os_cpu/目錄下面有各種系統下各種cpu架構的代碼實現，其中src/os_cpu/linux_x86/vm下是基于linux下x86架構的代碼，cmpxchg方法的最終實現：
// 地址：http://hg.openjdk.java.net/jdk8u/jdk8u/hotspot/file/a0eb08e2db5a/src/os_cpu/linux_x86/vm/atomic_linux_x86.inline.hppinline 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; }其中__asm__ volatile (LOCK_IF_MP(%4) "cmpxchgl %1,(%3)"一段代碼是核心，asm指匯編語言，是機器語言，直接和cpu交互。
LOCK_IF_MP指“如果是多個CPU就加鎖”，MP指Multi-Processors。程序會根據當前處理器的數量來決定是否為cmpxchg指令添加lock前綴。如果程序是在多處理器上運行，就為cmpxchg指令加上lock前綴（lock cmpxchg）。反之，如果程序是在單處理器上運行，就省略lock前綴（單個處理器自身會維護單處理器內的順序一致性，不需要lock前綴提供的內存屏障效果）。
// 地址：http://hg.openjdk.java.net/jdk8u/jdk8u/hotspot/file/a0eb08e2db5a/src/os_cpu/linux_x86/vm/atomic_linux_x86.inline.hpp// Adding a lock prefix to an instruction on MP machine #define LOCK_IF_MP(mp) "cmp $0, " #mp "; je 1f; lock; 1: "總結
從上面可以看出，CAS的本質就是：
lock cmpxchg 指令
但是cmpxchg這條cpu指令本身并不是原子性的，還是依賴了前面的lock指令。
關注公眾號，輸入“java-summary”即可獲得源碼。
完成，收工！
【傳播知識，共享價值】，感謝小伙伴們的關注和支持，我是【諸葛小猿】，一個彷徨中奮斗的互聯網民工。
總結
以上是生活随笔為你收集整理的高并发系列——CAS操作及CPU底层操作解析的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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