大厂高频面试题：谈谈你对多线程CAS的理解？

1.什么是CAS，如何保证线程安全？

CAS是英文单词CompareAndSwap的缩写，中文意思是：比较并替换。CAS需要有3个操作数：内存地址V，旧的预期值A，即将要更新的目标值B。它的功能是判断内存某个位置的值是否为预期值，如果是则更改为新的值，这个过程是原子操作。

CAS指令执行时，当且仅当内存地址V的值与预期值A相等时，将内存地址V的值修改为B，否则不做替换操作。当使用CAS替换新值不成功时，自旋，重新获得原值和新值再试一次直到成功为止。

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中断，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。（简单说，原语就是连续执行的，可以保证线程安全）

2.getAndIncrement()底层原理？

public final int getAndIncrement() {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
}

this指当前对象，valueOffset代表内存偏移量，表示该变量值在内存中的偏移地址，因为Unsafe就是根据内存偏移地址获取数据的。

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;
}

var1是AtomicInteger对象本身，var2是该对象值的引用地址，var4需要变动的数量，var5是用过var1和var2找出的主内存中真实值。

用该对象当前的值和var5比较，如果相同，更新var5+var4并且返回true，如果不同，继续取值然后再比较，直到更新完成。

缺点：循环时间长，开销大，因为如果CAS失败，会一直进行尝试，如果CAS长时间一直不成功，可能会给CPU带来很大的开销。

3.Unsafe类

Unsafe是CAS的核心类，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。Unsafe类存在于sun.misc包中，其内部方法操作可以像C指针一样直接操作内存，因为Java中CAS操作的执行依赖于Unsafe类的方法。

注意：Unsafe类中的所有方法都是native修饰的，也就是说Unsafe类中的方法都直接调用操作系统底层资源执行相应任务。

4.CAS缺点

1.循环时间长，开销大，例如getAndAddInt方法执行时，如果CAS失败，会一直进行尝试。如果CAS长时间一直不成功，可能会给CPU带来很大的开销；

2.只能保证一个共享变量的原子性，对于多个共享变量的操作，循环CAS无法保证操作的原子性，这个时候就需要加锁来保证原子性；

3.产生ABA问题。

5.什么是ABA问题？

当线程1从内存位置V中取出A，这个时候线程2也从内存中取出A
线程2进行了一些操作将值改为了B，然后线程2又将V位置的数据改回为A。
而线程1的执行时间比线程2长，当线程1完成CAS操作后准备写回内存地址V时，发现内存中仍然是A，然后线程1操作成功。

尽管线程1的CAS操作成功，但是不代表这个过程是没有问题的。

只管头和尾，不管中间操作。如果业务场景不在意ABA问题，也就无所谓了。但是要在意ABA问题，就不行。

举一个场景：

一家火锅店为了生意推出了一个特别活动，凡是在五一期间的老用户凡是卡里余额小于20的，赠送10元，但是这种活动每人只可享受一次。如果用CAS技术，先去用户卡里的余额，然后包装成AtomicInteger，写一个判断，开启10个线程，然后判断小于20的，一律加10。
假设有个线程A去判断账户里的钱此时是15，满足条件，直接+10，这时候卡里余额是25.但是此时不巧，正好在连锁店里，这个客人正在消费，又消费了10，此时卡里余额又为15，线程B去执行扫描账户的时候，发现它又小于20，又用cas给它加了10，这样的话就相当于加了两次！

6.如何解决ABA问题？

增加版本号来标记，改一次，版本号增加1。可以使用AtomicStampedReference的compareAndSet()。

ABA问题代码显示：

public class ABADemo {
    private static AtomicInteger atomicInt = new AtomicInteger(100);
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(new Runnable() { @Override public void run() {
                atomicInt.compareAndSet(100, 101);
                atomicInt.compareAndSet(101, 100);
            }
        });
        Thread t2 = new Thread(new Runnable() { @Override public void run() {
                try {
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);   //暂停一秒，待线程1执行完
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                boolean c3 = atomicInt.compareAndSet(100, 101);
                System.out.println(c3); // true
            }
        });
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

ABA问题解决：

public class SaveABADemo {
    private static AtomicStampedReference<Integer> atomicStampedRef = new AtomicStampedReference<Integer>(100, 0);

    public static void main(String[] args) {
        Thread t3 = new Thread(new Runnable() { @Override public void run() {
                try {
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                atomicStampedRef.compareAndSet(100, 101, atomicStampedRef.getStamp(), atomicStampedRef.getStamp() + 1);
                atomicStampedRef.compareAndSet(101, 100, atomicStampedRef.getStamp(), atomicStampedRef.getStamp() + 1);
            }
        });

        Thread t4 = new Thread(new Runnable() { @Override public void run() {
                int stamp = atomicStampedRef.getStamp();                 //获取初始版本号
                System.out.println("before sleep : stamp = " + stamp);
                try {
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("after sleep : stamp = " + atomicStampedRef.getStamp());   //线程3执行完后版本号改变
                boolean c3 = atomicStampedRef.compareAndSet(100, 101, stamp, stamp + 1);
                System.out.println(c3); // false
            }
        });
        t3.start();
        t4.start();
    }
}

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