CAS

一、CAS原子操作含义

CAS原子操作：“CAS”表示“Compare And Swap”，即“比较并替换”，具体是欲更新一个内存区域A值，输入两个参数——“待比较值”和“待更新值”，先将A当前值与“待比较值”比较，如果比较结果相等，则将A值更新为“待更新值”，否则失败返回。

二、CAS原子操作存在的问题

2.1、ABA问题

有一个内存区域A，它的当前值为a，后来经历了“a-b”和“b-a”的值更新过程，此时如果对A执行CAS原子操作，“待比较值”为a，“待更新值”为d，则能够顺利执行，但是与预期并不一致，预期的内存区域A的值的迁移关系应该是a-d，而不是a-b-a-d。
解决方案是：另外再加一个版本号，在进行值更新的同时升版本号。

特别需要注意的是，“ABA问题”的描述只是一个统称，本质上来说，“ABA问题”包括两类：

• 偶数ABA问题，比如“A-A”，“A-B-C-A”，“A-B-C-D-E-A”，…
• 奇数ABA问题，比如“A-B-A”，“A-B-C-D-A”，“A-B-C-D-E-F-A”，…

2.2、只能保证替换一个内存区域值的操作的原子性

只能保证替换一个内存区域值的操作的原子性，而并不能保证替换大于1个内存区域值的操作的原子性。

三、指令集中的CAS原子操作指令

不同的指令集具有不同的CAS原子操作指令或者其等价。比如“在X86指令体系中，CMPXCHG就是一个常见的CAS操作指令，需要注意的是，在多CPU或者CPU核环境中，需要给CMPXCHG指令加上LOCK指令前缀才能确保原子性”，“天生原子机器指令CAS”。

备注：

• 后续可知，加上LOCK指令前缀，不仅使得“原子化”，也使得“禁止重排序”，“刷新缓存到内存”和“使缓存失效”，这里给CMPXCHG指令加上LOCK指令前缀，只是为了“原子化”，后三者效果只是顺带，另外，CAS原子操作指令并不只有LOCK CMPXCHG这种形式，因此，在通用使用CAS原子操作指令时并不能作具有“禁止重排序”，“刷新缓存到内存”和“使缓存失效”效果的假定

四、JDK中提供的CAS原子方法

JDK中提供的CAS原子方法是“sun.misc.Unsafe”类下的compareAndSwapObject()，compareAndSwapInt()和compareAndSwapLong()方法。

查看这3个方法的本地实现（C/C++语言源代码），可知核心就是直接调用LOCK CMPXCHAG指令（在X86指令体系中）。

以compareAndSwapInt()方法为例，跟踪其本地实现源代码如下：

static JNINativeMethod methods_15[] = {
	/* 省略一堆代码... */
	{ CC "compareAndSwapInt",  CC "("OBJ "J" "I" "I" ")Z", FN_PTR( Unsafe_CompareAndSwapInt )  },
	{ CC "compareAndSwapLong", CC "("OBJ "J" "J" "J" ")Z", FN_PTR( Unsafe_CompareAndSwapLong ) },
	/* 省略一堆代码... */
};

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);
}

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);
}

可知在执行compareAndSwapInt()方法时，最后会执行到LOCK_IF_MP( % 4 ) "cmpxchgl %1,(%3)"语句，其中LOCK_IF_MP( % 4 )表示在单CPU且单核的环境中，可以优化不加LOCK指令前缀，否则就需要加LOCK指令前缀以确保cmpxchgl的原子性，而cmpxchgl表示一个属于CMPXCHG家族的CAS操作指令，它的末尾l表示操作数长度为4。

参考文献

[1]https://juejin.im/post/5a73cbbff265da4e807783f5
[2]https://stackoverflow.com/questions/27837731/is-x86-cmpxchg-atomic-if-so-why-does-it-need-lock