程式設計師深夜慘遭老婆鄙視，原因竟是CAS原理太簡單？| 每一張圖都力求精美
阿新 • • 發佈：2020-08-24
> `悟空`
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夜黑風高的晚上，一名苦逼程式設計師正在瘋狂敲著鍵盤，突然他老婆帶著一副睡眼朦朧的眼神瞟了下電腦桌面。於是有了如下對話：
>老婆：這畫的圖是啥意思，怎麼還有三角形，四邊形？
>
>我：我在畫CAS的原理，要不我跟你講一遍？
>
>老婆：好呀！
**案例：甲看見一個三角形積木，覺得不好看，想替換成五邊形，但是乙想把積木替換成四邊形。（前提條件，只能被替換一次）**
甲比較雞賊，想到了一個辦法：“我把積木帶到另外一個房間裡面去替換，並上鎖，就不會被別人打擾了。”（這裡用到了`排他鎖synchronized`）
乙覺得甲太不厚道：“房間上了鎖，我進不去，我也看不見積木長啥樣。（因上了鎖，所以不能訪問）”
於是甲、乙想到了另外一個辦法：**誰先搶到積木，誰先替換，如果積木形狀變了，則不允許其他人再次替換**。（`比較並替換CAS`）
於是他們就開始搶三角形積木：
- 場景1：`甲搶到，替換成五邊形，乙不能替換`
- 假如甲先搶到了，積木還是三角形的，就把三角形替換成五邊形了。
- 乙後搶到，積木已經變為五邊形了，乙就沒機會替換了（因為甲、乙共一次替換機會）。
- 場景2：`乙搶到未替換，甲替換成功`
- 假如乙先搶到了，但是突然覺得三角形也挺好看的，沒有替換，放下積木就走開了。
- 然後甲搶到了積木，積木還是三角形的，想到乙沒有替換，就把三角形替換成五邊形了。
- 場景3：`乙搶到，替換成三角形，甲替換成五邊形，ABA問題`
- 假如乙先搶到了，但是覺得這個三角形是舊的，就換了另外一個一摸一樣的三角形，只是積木比較新。
- 然後甲搶到了積木，積木還是三角形的，想到乙沒有替換，就把三角形替換成五邊形了。
老婆聽完後，覺得這三種場景都太簡單了，**原來計算機這麼簡單，早知道我也去學計算機**。。。
被無情鄙視了，好在老婆居然聽懂了，不知道大家聽懂沒？
迴歸正傳，我們用計算機術語來講下Java CAS的原理
# 一、Java CAS簡介
**CAS的全稱：**Compare-And-Swap（比較並交換）。比較變數的現在值與之前的值是否一致，若一致則替換，否則不替換。
**CAS的作用：**原子性更新變數值，保證執行緒安全。
**CAS指令：**需要有三個運算元，變數的當前值（V），舊的預期值（A），準備設定的新值（B）。
**CAS指令執行條件：**當且僅當V=A時，處理器才會設定V=B，否則不執行更新。
**CAS的返回指：**V的之前值。
**CAS處理過程：**原子操作，執行期間不會被其他執行緒中斷，執行緒安全。
**CAS併發原語：**體現在Java語言中sun.misc.Unsafe類的各個方法。呼叫UnSafe類中的CAS方法，JVM會幫我們實現出CAS彙編指令，這是一種完全依賴於硬體的功能，通過它實現了原子操作。由於CAS是一種系統原語，原語屬於作業系統用於範疇，是由`若干條指令`組成，用於完成某個功能的一個過程，並且原語的執行必須是連續的，在執行過程中不允許被中斷，所以CAS是一條CPU的原子指令，不會造成所謂的資料不一致的問題，所以CAS是執行緒安全的。
# 二、能寫幾行程式碼說明下嗎？
在上篇講volatile時，講到了如何使用原子整型類AtomicInteger來解決volatile的非原子性問題，保證多個執行緒執行num++的操作，最終執行的結果與單執行緒一致，輸出結果為20000。
這次我們還是用AtomicInteger。
首先定義atomicInteger變數的初始值等於10，主記憶體中的值設定為10
```java
AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(10);
```
然後呼叫atomicInteger的CAS方法，先比較當前變數atomicInteger的值是否是10，如果是，則將變數的值設定為20
```java
atomicInteger.compareAndSet(10, 20);
```
設定成功，atomicInteger更新為20
當我們再次呼叫atomicInteger的CAS方法，先比較當前變數atomicInteger的值是否是10，如果是，則將變數的值設定為30
```java
atomicInteger.compareAndSet(10, 30);
```
設定失敗，因atomicInteger的當前值為20，而比較值是10，**所以比較後，不相等，故不能進行更新**。
完整程式碼如下：
```java
package com.jackson0714.passjava.threads;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
/**
演示CAS compareAndSet 比較並交換
* @author: 悟空聊架構
* @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("當前atomicInteger變數的值:%d 比較結果%s\r\n", atomicInteger.get(), result1);
Boolean result2 = atomicInteger.compareAndSet(10,30);
System.out.printf("當前atomicInteger變數的值:%d, 比較結果%s\n" , atomicInteger.get(), result2);
}
}
```
執行結果如下：
``` java
當前atomicInteger變數的值:20 比較結果true
當前atomicInteger變數的值:20, 比較結果false
```
我們來對比看下原理圖理解下上面程式碼的過程
- 第一步：執行緒1和執行緒2都有主記憶體中變數的拷貝，值都等於10
- 第二步：執行緒1想要將值更新為20，先要將工作記憶體中的變數值與主記憶體中的變數進行比較，值都等於10，所以可以將主記憶體中的值替換成20
- 第三步：執行緒1將主記憶體中的值替換成20，並將執行緒1中的工作記憶體中的副本更新為20
- 第四步：執行緒2想要將變數更新為30，先要將執行緒2的工作記憶體中的值與主記憶體進行比較10不等於20，所以不能更新
- 第五步：執行緒2將工作記憶體的副本更新為與主記憶體一致：20
圖畫得非常棒！
上述的場景和我們用Git程式碼管理工具是一樣的，如果有人先提交了程式碼到develop分支，另外一個人想要改這個地方的程式碼，就得先pull develop分支，以擴音交時提示衝突。
# 三、能講下CAS底層原理嗎？
## 原始碼除錯
這裡我們用atomicInteger的getAndIncrement()方法來講解，這個方法裡面涉及到了比較並替換的原理。
示例如下：
```java
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）首先需要開啟IDEA的多執行緒除錯模式
- （2）我們先打斷點到17行，main執行緒執行到此行，子執行緒`aaa`還未執行自增操作。
getAndIncrement方法會呼叫unsafe的`getAndAddInt`方法，
```java
public final int getAndIncrement() {
return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
}
```
- （3）在原始碼`getAndAddInt`方法的361行打上斷點，main執行緒先執行到361行
```java
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;
}
```
**原始碼解釋：** *劃重點！！！*