程序员深夜惨遭老婆鄙视，原因竟是CAS原理太简单？| 每一张图都力求精美
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2020-09-06 15:48
作者介绍
悟空
种树比较好的时间是十年前，其次是现在。
自主开发了Java学习平台、PMP刷题小程序。目前主修Java、多线程、SpringBoot、SpringCloud、k8s。
本公众号不限于分享技术，也会分享工具的使用、人生感悟、读书总结。
夜黑风高的晚上，一名苦逼程序员正在疯狂敲着键盘，突然他老婆带着一副睡眼朦胧的眼神瞟了下电脑桌面。于是有了如下对话：
老婆：这画的图是啥意思，怎么还有三角形，四边形？
我：我在画CAS的原理，要不我跟你讲一遍？
老婆：好呀！
案例：甲看见一个三角形积木，觉得不好看，想替换成五边形，但是乙想把积木替换成四边形。（前提条件，只能被替换一次）
甲比较鸡贼，想到了一个办法：“我把积木带到另外一个房间里面去替换，并上锁，就不会被别人打扰了。”（这里用到了排他锁synchronized）
乙觉得甲太不厚道：“房间上了锁，我进不去，我也看不见积木长啥样。（因上了锁，所以不能访问）”
于是甲、乙想到了另外一个办法：谁先抢到积木，谁先替换，如果积木形状变了，则不允许其他人再次替换。（比较并替换CAS）
于是他们就开始抢三角形积木：
场景1：
甲抢到，替换成五边形，乙不能替换
甲先抢到，替换成五边形 乙后抢到，积木已经变为五边形了，乙就没机会替换了（因为甲、乙共一次替换机会）。
乙不能替换 假如甲先抢到了，积木还是三角形的，就把三角形替换成五边形了。 场景2：
乙抢到未替换，甲替换成功
乙抢到未替换，甲替换成功 假如乙先抢到了，但是突然觉得三角形也挺好看的，没有替换，放下积木就走开了。
然后甲抢到了积木，积木还是三角形的，想到乙没有替换，就把三角形替换成五边形了。
场景3：
乙抢到，替换成三角形，甲替换成五边形，ABA问题假如乙先抢到了，但是觉得这个三角形是旧的，就换了另外一个一摸一样的三角形，只是积木比较新。 然后甲抢到了积木，积木还是三角形的，想到乙没有替换，就把三角形替换成五边形了。
老婆听完后，觉得这三种场景都太简单了，原来计算机这么简单，早知道我也去学计算机。。。
被无情鄙视了，好在老婆居然听懂了，不知道大家听懂没？
回归正传，我们用计算机术语来讲下Java CAS的原理
一、Java CAS简介
CAS的全称：Compare-And-Swap（比较并交换）。比较变量的现在值与之前的值是否一致，若一致则替换，否则不替换。
CAS的作用：原子性更新变量值，保证线程安全。
CAS指令：需要有三个操作数，变量的当前值（V），旧的预期值（A），准备设置的新值（B）。
CAS指令执行条件：当且仅当V=A时，处理器才会设置V=B，否则不执行更新。
CAS的返回值：V的之前值。
CAS处理过程：原子操作，执行期间不会被其他线程中断，线程安全。
CAS并发原语：体现在Java语言中sun.misc.Unsafe类的各个方法。调用UnSafe类中的CAS方法，JVM会帮我们实现出CAS汇编指令，这是一种完全依赖于硬件的功能，通过它实现了原子操作。由于CAS是一种系统原语，原语属于操作系统用于范畴，是由若干条指令组成，用于完成某个功能的一个过程，并且原语的执行必须是连续的，在执行过程中不允许被中断，所以CAS是一条CPU的原子指令，不会造成所谓的数据不一致的问题，所以CAS是线程安全的。
二、能写几行代码说明下吗？
在上篇讲volatile时，讲到了如何使用原子整型类AtomicInteger来解决volatile的非原子性问题，保证多个线程执行num++的操作，最终执行的结果与单线程一致，输出结果为20000。
这次我们还是用AtomicInteger。
首先定义atomicInteger变量的初始值等于10，主内存中的值设置为10
AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(10);
然后调用atomicInteger的CAS方法，先比较当前变量atomicInteger的值是否是10，如果是，则将变量的值设置为20
atomicInteger.compareAndSet(10, 20);
设置成功，atomicInteger更新为20
当我们再次调用atomicInteger的CAS方法，先比较当前变量atomicInteger的值是否是10，如果是，则将变量的值设置为30
atomicInteger.compareAndSet(10, 30);
设置失败，因atomicInteger的当前值为20，而比较值是10，所以比较后，不相等，故不能进行更新。
完整代码如下：
package com.jackson0714.passjava.threads;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
/**
演示CAS compareAndSet 比较并交换
* @author: 悟空聊架构
* @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("当前atomicInteger变量的值:%d 比较结果%s\r\n", atomicInteger.get(), result1);
Boolean result2 = atomicInteger.compareAndSet(10,30);
System.out.printf("当前atomicInteger变量的值:%d, 比较结果%s\n" , atomicInteger.get(), result2);
}
}
执行结果如下：
当前atomicInteger变量的值:20 比较结果true
当前atomicInteger变量的值:20, 比较结果false
我们来对比看下原理图理解下上面代码的过程
第一步：线程1和线程2都有主内存中变量的拷贝，值都等于10
第二步：线程1想要将值更新为20，先要将工作内存中的变量值与主内存中的变量进行比较，值都等于10，所以可以将主内存中的值替换成20
第三步：线程1将主内存中的值替换成20，并将线程1中的工作内存中的副本更新为20
第四步：线程2想要将变量更新为30，先要将线程2的工作内存中的值与主内存进行比较10不等于20，所以不能更新
第五步：线程2将工作内存的副本更新为与主内存一致：20
图画得非常棒！
上述的场景和我们用Git代码管理工具是一样的，如果有人先提交了代码到develop分支，另外一个人想要改这个地方的代码，就得先pull develop分支，以免提交时提示冲突。
三、能讲下CAS底层原理吗？
源码调试
这里我们用atomicInteger的getAndIncrement()方法来讲解，这个方法里面涉及到了比较并替换的原理。
示例如下：
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(10);
Thread.sleep(100);
new Thread(() -> {
atomicInteger.getAndIncrement();
}, "aaa").start();
atomicInteger.getAndIncrement();
}
（1）首先需要开启IDEA的多线程调试模式
（2）我们先打断点到17行，main线程执行到此行，子线程
aaa还未执行自增操作。
getAndIncrement方法会调用unsafe的getAndAddInt方法，
public final int getAndIncrement() {
return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
}
（3）在源码
getAndAddInt方法的361行打上断点，main线程先执行到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;
}源码解释： 划重点！！！
var1：当前对象，我们定义的atomicInteger var2：当前对象的内存偏移量 var4：当前自增多少，默认为1，且不可设为其他值 var5：当前变量的值 this.getIntVolatile(var1, var2)：根据当前对象var1和对象的内存偏移量var2得到主内存中变量的值，赋值给var5，并在main线程的工作内存中存放一份var5的副本
（4）在362行打上断点，main线程继续执行一步
2 var5获取到主内存中的值为10 （5）切换到子线程aaa，还是在361行断点处，还未获取主内存的值
3 （6）子线程aaa继续执行一步，获取到var5的值等于10
（7）切换到main线程，进行比较并替换
this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4)
var5=10，通过var1和var2获取到的值也是10，因为没有其他线程修改变量。compareAndSwapInt的源码我们后面再说。
所以比较后，发现变量没被其他线程修改，可以进行替换，替换值为var5+var4=11，变量值替换后为 11，也就是自增1。这行代码执行结果返回true（自增成功），退出do while循环。return值为变量更新前的值10。
（8）切换到子线程aaa，进行比较并自增
因为此时aaa线程的var5=10，而主内存中的值已经更新为11了，所以比较后发现被其他线程修改了，不能进行替换，返回false，继续执行do while循环。
（9）子线程aaa继续执行，重新获取到的var=11
（10）子线程aaa继续执行，进行比较和替换，结果为true
因var5=11，主内存中的变量值也等于11，所以比较后相等，可以进行替换，替换值为var5+var4，结果为12，也就是自增1。退出循环，返回变量更新前的值var5=11。
至此，getAndIncrement方法的整个原子自增的逻辑就debug完了。所以可以得出结论：
先比较线程中的副本是否与主内存相等，相等则可以进行自增，并返回副本的值，若其他线程修改了主内存中的值，当前线程不能进行自增，需要重新获取主内存的值，然后再次判断是否与主内存中的值是否相等，以此往复。
四、CAS有什么问题？
不知道大家发现没，aaa线程可能会出现循环多次的问题，因为其他线程可能将主内存的值又改了，但是aaa线程拿到的还是老的数据，就会出现再循环一次，就会给CPU带来性能开销。这个就是自旋。
频繁出现自旋，循环时间长，开销大（因为执行的是do while，如果比较不成功一直在循环，最差的情况，就是某个线程一直取到的值和预期值都不一样，这样就会无限循环）只能保证 一个共享变量的原子操作当对 一个共享变量执行操作时，我们可以通过循环CAS的方式来保证原子操作但是对于 多个共享变量操作时，循环CAS就无法保证操作的原子性，这个时候只能用锁来保证原子性引出来ABA问题（有彩蛋）
五、小结
本篇从和老婆的对话开始，以通俗的语言给老婆讲了CAS原理，其中还涉及到了并发锁。然后从底层代码一步一步debug，深入理解了CAS的原理。
每一张图都力求精美！分享+在看啊，大佬们！
彩蛋：还有一个ABA问题没有给大家讲，另外这里怎么不是AAB（拖拉机），AAA（金花）？
这周前三天写技术文章花了大量时间，少熬夜，睡觉啦 ~ 我们下期再来讲ABA问题，小伙伴们分享转发下好吗？您的支持是我写作最大的动力~
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