CAS原理分析，解决银行转账ABA难题

2021-10-09 java互联网架构

什么是CAS

CAS即Compare And Swap的缩写，翻译成中文就是比较并交换，其作用是让CPU比较内存中某个值是否和预期的值相同，如果相同则将这个值更新为新值，不相同则不做更新，也就是CAS是原子性的操作(读和写两者同时具有原子性)，其实现方式是通过借助C/C++调用CPU指令完成的，所以效率很高。

CAS的原理很简单，这里使用一段JAVA代码来描述

public boolean compareAndSwap(int value, int expect, int update) {
//如果内存中的值value和期望值expect一样 则将值更新为新值update
    if (value == expect) {
        value = update;
        return true;
    } else {
        return false;
    }
}

大致过程是将内存中的值、我们的期望值、新值交给CPU进行运算，如果内存中的值和我们的期望值相同则将值更新为新值，否则不做任何操作。这个过程是在CPU中完成的，这里不好描述CPU的工作过程，就拿Java代码来描述了。

Unsafe源码分析

Java是在Unsafe(sun.misc.Unsafe)类实现CAS的操作，而我们知道Java是无法直接访问操作系统底层的API的(原因是Java的跨平台性限制了Java不能和操作系统耦合)，所以Java并没有在Unsafe类直接实现CAS的操作，而是通过JDI(Java Native Interface) 本地调用C/C++语言来实现CAS操作的。
Unsafe有很多个CAS操作的相关方法，这里举例几个

public final native boolean compareAndSwapObject(Object var1, long var2, Object var4, Object var5);


public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);


public final native boolean compareAndSwapLong(Object var1, long var2, long var4, long var6);

我们拿public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);进行分析，这个方法是比较内存中的一个值(整型)和我们的期望值(var4)是否一样，如果一样则将内存中的这个值更新为var5，参数中的var1是值所在的对象，var2是值在对象(var1)中的内存偏移量，参数var1和参数var2是为了定位出值所在内存的地址。

Unsafe.java 在这里发挥的作用有：

将对象引用、值在对象中的偏移量、期望的值和欲更新的新值传递给Unsafe.cpp
如果值更新成功则返回true给开发者，没有更新则返回false

Unsafe.cpp 在这里发挥的作用有：

接受从Unsafe传递过来的对象引用、偏移量、期望的值和欲更新的新值，根据对象引用和偏移量计算出值的地址，然后将值的地址、期望的值、欲更新的新值传递给CPU
如果值更新成功则返回true给Unsafe.java，没有更新则返回false

CPU在这里发挥的作用：

接受从Unsafe.cpp传递过来的地址、期望的值和欲更新的新值，执行指令cmpxchg，比较地址中的值是否和期望的值一样，一样则将值更新为新的值，不一样则不做任何操作
将操作结果返回给Unsafe.cpp

CAS的缺点

CAS虽然高效的实现了原子性操作，但是也存在一些缺点，主要表现在以下三个方面。

ABA问题

在多线程场景下CAS会出现ABA问题，关于ABA问题这里简单科普下，例如有2个线程同时对同一个值(初始值为A)进行CAS操作，这三个线程如下

线程1，期望值为A，欲更新的值为B
线程2，期望值为A，欲更新的值为B

线程1抢先获得CPU时间片，而线程2因为其他原因阻塞了，线程1取值与期望的A值比较，发现相等然后将值更新为B，然后这个时候出现了线程3，期望值为B，欲更新的值为A，线程3取值与期望的值B比较，发现相等则将值更新为A，此时线程2从阻塞中恢复，并且获得了CPU时间片，这时候线程2取值与期望的值A比较，发现相等则将值更新为B，虽然线程2也完成了操作，但是线程2并不知道值已经经过了A->B->A的变化过程。

ABA问题带来的危害：
小明在提款机，提取了50元，因为提款机问题，有两个线程，同时把余额从100变为50
线程1（提款机）：获取当前值100，期望更新为50，
线程2（提款机）：获取当前值100，期望更新为50，
线程1成功执行，线程2某种原因block了，这时，某人给小明汇款50
线程3（默认）：获取当前值50，期望更新为100，
这时候线程3成功执行，余额变为100，
线程2从Block中恢复，获取到的也是100，compare之后，继续更新余额为50！！！
此时可以看到，实际余额应该为100（100-50+50），但是实际上变为了50（100-50+50-50）这就是ABA问题带来的成功提交。

解决方法：在变量前面加上版本号，每次变量更新的时候变量的版本号都+1，即A->B->A就变成了1A->2B->3A。

循环时间长开销大

如果CAS操作失败，就需要循环进行CAS操作(循环同时将期望值更新为最新的)，如果长时间都不成功的话，那么会造成CPU极大的开销。

这种循环也称为自旋

解决方法：限制自旋次数，防止进入死循环。

只能保证一个共享变量的原子操作

CAS的原子操作只能针对一个共享变量。

解决方法：如果需要对多个共享变量进行操作，可以使用加锁方式(悲观锁)保证原子性，或者可以把多个共享变量合并成一个共享变量进行CAS操作。

CAS的应用

我们知道CAS操作是一种无锁操作，并不会锁住共享变量，也就是一种非阻塞的同步机制，CAS就是乐观锁的实现。

乐观锁总是假设最好的情况，每次去操作数据都认为不会被别的线程修改数据，所以在每次操作数据的时候都不会给数据加锁，即在线程对数据进行操作的时候，别的线程不会阻塞仍然可以对数据进行操作，只有在需要更新数据的时候才会去判断数据是否被别的线程修改过，如果数据被修改过则会拒绝操作并且返回错误信息给用户。
悲观锁总是假设最坏的情况，每次去操作数据时候都认为会被的线程修改数据，所以在每次操作数据的时候都会给数据加锁，让别的线程无法操作这个数据，别的线程会一直阻塞直到获取到这个数据的锁。这样的话就会影响效率，比如当有个线程发生一个很耗时的操作的时候，别的线程只是想获取这个数据的值而已都要等待很久。

Java利用CAS的乐观锁、原子性的特性高效解决了多线程的安全性问题，例如JDK1.8中的集合类ConcurrentHashMap、关键字volatile、ReentrantLock等。