JAVA面试题——CAS原理

简述

比较并交换，CPU并发原语。功能是判断内存某个位置的值是否为预期值，如果是则改为新的值，这个过程是原子的。
在JMM模型中可以知道每个线程都会将主内存中的数据拷贝到自己内存中进行运算，而CAS则是比较当前工作内存中的值与主内存中的值，如果相同则执行规定操作，否则继续比较直到主内存和工作内存中的值一致为止。
我们先来看一个Demo：

public class CASDemo1 {
    public static void main(String[] args) {
        AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(6);
        System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(6, 2020)+"	 value:"+atomicInteger.get());
        System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(6, 1111)+"	 value:"+atomicInteger.get());
    }
}
//结果如下：
true	 value:2020
false	 value:2020
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CAS底层原理

核心是Unsafe类（在jdk中rt.jar中的sun.misc下的Unsafe类），由于Java方法无法直接访问底层系统，需要通过本地（native）方法来访问，Unsafe相当于一个后门，基于该类可以直接操作特定内存的数据。换句话说就是CAS其实是直接操作的地址中的内容。
CAS并发原语体现在JAVA语言中就是sun.misc.Unsafe类中的各个方法。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。再次强调，由于CAS是一种系统原语，原语属于操作系统用语范畴，是由若干条指令组成的，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打断，也就是说CAS是一条CPU的原子指令，不会造成所谓的数据不一致问题。

总结：
· java 的 cas 利用的的是 unsafe 这个类提供的 cas 操作。
· unsafe 的cas 依赖了的是 jvm 针对不同的操作系统实现的 Atomic::cmpxchg
· Atomic::cmpxchg 的实现使用了汇编的 cas 操作，并使用 cpu 硬件提供的 lock信号保证其原子性

CAS缺点

1、循环时间长，开销很大（do…while）;
2、只能保证一个共享变量的原子操作;
3、会导致ABA问题。

讲一讲AtomicInteger，为什么要用CAS而不是synchronized？

同一时间段只有一个线程可以进行访问，保证了线程安全，但是并发量下降。
可以反复通过CAS进行比较，没有加锁，既保证了一致性，又提高了并发量。

ABA问题

CAS算法实现一个重要前提需要取出内存中某时刻的数据并在当下时刻比较并替换，那么这个时间差类会导致数据的变化。
线程1从内存中位置V中取出A，这时候线程2也从内存中取出A，改为B，再改为A，这时候线程1进行CAS操作发现仍为A，并进行CAS操作。
尽管线程1的CAS操作成功，但不是代表这个过程是没有问题的。
解决：
atomicStampedReference，在原来基础上加一个版本号。

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