背景

在高并發(fā)的業(yè)務(wù)場(chǎng)景下，線程安全問(wèn)題是必須考慮的，在JDK5之前，可以通過(guò)synchronized或Lock來(lái)保證同步，從而達(dá)到線程安全的目的。但synchronized或Lock方案屬于互斥鎖的方案，比較重量級(jí)，加鎖、釋放鎖都會(huì)引起性能損耗問(wèn)題。

而在某些場(chǎng)景下，我們是可以通過(guò)JUC提供的CAS機(jī)制實(shí)現(xiàn)無(wú)鎖的解決方案，或者說(shuō)是它基于類似于樂(lè)觀鎖的方案，來(lái)達(dá)到非阻塞同步的方式保證線程安全。

CAS機(jī)制不僅是面試中會(huì)高頻出現(xiàn)的面試題，而且也是高并發(fā)實(shí)踐中必須掌握的知識(shí)點(diǎn)。如果你目前對(duì)CAS還不甚了解，或許只有模糊的印象，這篇文章一定值得你花時(shí)間學(xué)習(xí)一下。

什么是CAS？

CAS是Compare And Swap的縮寫，直譯就是比較并交換。CAS是現(xiàn)代CPU廣泛支持的一種對(duì)內(nèi)存中的共享數(shù)據(jù)進(jìn)行操作的一種特殊指令，這個(gè)指令會(huì)對(duì)內(nèi)存中的共享數(shù)據(jù)做原子的讀寫操作。其作用是讓CPU比較內(nèi)存中某個(gè)值是否和預(yù)期的值相同，如果相同則將這個(gè)值更新為新值，不相同則不做更新。

本質(zhì)上來(lái)講CAS是一種無(wú)鎖的解決方案，也是一種基于樂(lè)觀鎖的操作，可以保證在多線程并發(fā)中保障共享資源的原子性操作，相對(duì)于synchronized或Lock來(lái)說(shuō)，是一種輕量級(jí)的實(shí)現(xiàn)方案。

Java中大量使用了CAS機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)多線程下數(shù)據(jù)更新的原子化操作，比如AtomicInteger、CurrentHashMap當(dāng)中都有CAS的應(yīng)用。但Java中并沒(méi)有直接實(shí)現(xiàn)CAS，CAS相關(guān)的實(shí)現(xiàn)是借助C/C++調(diào)用CPU指令來(lái)實(shí)現(xiàn)的，效率很高，但Java代碼需通過(guò)JNI才能調(diào)用。比如，Unsafe類提供的CAS方法（如compareAndSwapXXX）底層實(shí)現(xiàn)即為CPU指令cmpxchg。

CAS的基本流程

下面我們用一張圖來(lái)了解一下CAS操作的基本流程。

CAS操作流程圖

在上圖中涉及到三個(gè)值的比較和操作：修改之前獲取的（待修改）值A(chǔ)，業(yè)務(wù)邏輯計(jì)算的新值B，以及待修改值對(duì)應(yīng)的內(nèi)存位置的C。

整個(gè)處理流程中，假設(shè)內(nèi)存中存在一個(gè)變量i，它在內(nèi)存中對(duì)應(yīng)的值是A（第一次讀取），此時(shí)經(jīng)過(guò)業(yè)務(wù)處理之后，要把它更新成B，那么在更新之前會(huì)再讀取一下i現(xiàn)在的值C，如果在業(yè)務(wù)處理的過(guò)程中i的值并沒(méi)有發(fā)生變化，也就是A和C相同，才會(huì)把i更新（交換）為新值B。如果A和C不相同，那說(shuō)明在業(yè)務(wù)計(jì)算時(shí)，i的值發(fā)生了變化，則不更新（交換）成B。最后，CPU會(huì)將舊的數(shù)值返回。而上述的一系列操作由CPU指令來(lái)保證是原子的。

在《Java并發(fā)編程實(shí)踐》中對(duì)CAS進(jìn)行了更加通俗的描述：我認(rèn)為原有的值應(yīng)該是什么，如果是，則將原有的值更新為新值，否則不做修改，并告訴我原來(lái)的值是多少。

在上述路程中，我們可以很清晰的看到樂(lè)觀鎖的思路，而且這期間并沒(méi)有使用到鎖。因此，相對(duì)于synchronized等悲觀鎖的實(shí)現(xiàn)，效率要高非常多。

基于CAS的AtomicInteger使用

關(guān)于CAS的實(shí)現(xiàn)，最經(jīng)典最常用的當(dāng)屬AtomicInteger了，我們馬上就來(lái)看一下AtomicInteger是如何利用CAS實(shí)現(xiàn)原子性操作的。為了形成更新鮮明的對(duì)比，先來(lái)看一下如果不使用CAS機(jī)制，想實(shí)現(xiàn)線程安全我們通常如何處理。

在沒(méi)有使用CAS機(jī)制時(shí)，為了保證線程安全，基于synchronized的實(shí)現(xiàn)如下：

public class ThreadSafeTest {

 public static volatile int i = 0;

 public synchronized void increase() {
  i++;
 }
}

至于上面的實(shí)例具體實(shí)現(xiàn)，這里不再展開(kāi)，很多相關(guān)的文章專門進(jìn)行講解，我們只需要知道為了保證i++的原子操作，在increase方法上使用了重量級(jí)的鎖synchronized，這會(huì)導(dǎo)致該方法的性能低下，所有調(diào)用該方法的操作都需要同步等待處理。

那么，如果采用基于CAS實(shí)現(xiàn)的AtomicInteger類，上述方法的實(shí)現(xiàn)便變得簡(jiǎn)單且輕量級(jí)了：

public class ThreadSafeTest {

 private final AtomicInteger counter = new AtomicInteger(0);

 public int increase(){
  return counter.addAndGet(1);
 }

}

之所以可以如此安全、便捷地來(lái)實(shí)現(xiàn)安全操作，便是由于AtomicInteger類采用了CAS機(jī)制。下面，我們就來(lái)了解一下AtomicInteger的功能及源碼實(shí)現(xiàn)。

CAS的AtomicInteger類

AtomicInteger?是java.util.concurrent.atomic 包下的一個(gè)原子類，該包下還有AtomicBoolean?, AtomicLong,AtomicLongArray?, AtomicReference等原子類，主要用于在高并發(fā)環(huán)境下，保證線程安全。

AtomicInteger常用API

AtomicInteger類提供了如下常見(jiàn)的API功能：

public final int get()：獲取當(dāng)前的值
public final int getAndSet(int newValue)：獲取當(dāng)前的值，并設(shè)置新的值
public final int getAndIncrement()：獲取當(dāng)前的值，并自增
public final int getAndDecrement()：獲取當(dāng)前的值，并自減
public final int getAndAdd(int delta)：獲取當(dāng)前的值，并加上預(yù)期的值
void lazySet(int newValue): 最終會(huì)設(shè)置成newValue,使用lazySet設(shè)置值后，可能導(dǎo)致其他線程在之后的一小段時(shí)間內(nèi)還是可以讀到舊的值。

上述方法中，getAndXXX格式的方法都實(shí)現(xiàn)了原子操作。具體的使用方法參考上面的addAndGet案例即可。

AtomicInteger核心源碼

下面看一下AtomicInteger代碼中的核心實(shí)現(xiàn)代碼：

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
    private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
    private static final long valueOffset;
    static {
        try {
            // 用于獲取value字段相對(duì)當(dāng)前對(duì)象的“起始地址”的偏移量
            valueOffset = unsafe.objectFieldOffset(AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
        } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
    }

    private volatile int value;

    //返回當(dāng)前值
    public final int get() {
        return value;
    }

    //遞增加detla
    public final int getAndAdd(int delta) {
        // 1、this：當(dāng)前的實(shí)例 
        // 2、valueOffset：value實(shí)例變量的偏移量 
        // 3、delta：當(dāng)前value要加上的數(shù)(value+delta)。
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta);
    }

    //遞增加1
    public final int incrementAndGet() {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
    }
...
}

上述代碼以AtomicInteger#incrementAndGet方法為例展示了AtomicInteger的基本實(shí)現(xiàn)。其中，在static靜態(tài)代碼塊中，基于Unsafe類獲取value字段相對(duì)當(dāng)前對(duì)象的“起始地址”的偏移量，用于后續(xù)Unsafe類的處理。

在處理自增的原子操作時(shí)，使用的是Unsafe類中的getAndAddInt方法，CAS的實(shí)現(xiàn)便是由Unsafe類的該方法提供，從而保證自增操作的原子性。

同時(shí)，在AtomicInteger類中，可以看到value值通過(guò)volatile進(jìn)行修飾，保證了該屬性值的線程可見(jiàn)性。在多并發(fā)的情況下，一個(gè)線程的修改，可以保證到其他線程立馬看到修改后的值。

通過(guò)源碼可以看出， AtomicInteger 底層是通過(guò)volatile變量和CAS兩者相結(jié)合來(lái)保證更新數(shù)據(jù)的原子性。其中關(guān)于Unsafe類對(duì)CAS的實(shí)現(xiàn)，我們下面詳細(xì)介紹。

CAS的工作原理

CAS的實(shí)現(xiàn)原理簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是由Unsafe類和其中的自旋鎖來(lái)完成的，下面針對(duì)源代碼來(lái)看一下這兩塊的內(nèi)容。

UnSafe類

在AtomicInteger核心源碼中，已經(jīng)看到CAS的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)Unsafe類來(lái)完成的，先來(lái)了解一下Unsafe類的作用。

sun.misc.Unsafe是JDK內(nèi)部用的工具類。它通過(guò)暴露一些Java意義上說(shuō)“不安全”的功能給Java層代碼，來(lái)讓JDK能夠更多的使用Java代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)一些原本是平臺(tái)相關(guān)的、需要使用native語(yǔ)言（例如C或C++）才可以實(shí)現(xiàn)的功能。該類不應(yīng)該在JDK核心類庫(kù)之外使用，這也是命名為Unsafe（不安全）的原因。

JVM的實(shí)現(xiàn)可以自由選擇如何實(shí)現(xiàn)Java對(duì)象的“布局”，也就是在內(nèi)存里Java對(duì)象的各個(gè)部分放在哪里，包括對(duì)象的實(shí)例字段和一些元數(shù)據(jù)之類。

Unsafe里關(guān)于對(duì)象字段訪問(wèn)的方法把對(duì)象布局抽象出來(lái)，它提供了objectFieldOffset()方法用于獲取某個(gè)字段相對(duì)Java對(duì)象的“起始地址”的偏移量，也提供了getInt、getLong、getObject之類的方法可以使用前面獲取的偏移量來(lái)訪問(wèn)某個(gè)Java對(duì)象的某個(gè)字段。在AtomicInteger的static代碼塊中便使用了objectFieldOffset()方法。

Unsafe類的功能主要分為內(nèi)存操作、CAS、Class相關(guān)、對(duì)象操作、數(shù)組相關(guān)、內(nèi)存屏障、系統(tǒng)相關(guān)、線程調(diào)度等功能。這里我們只需要知道其功能即可，方便理解CAS的實(shí)現(xiàn)，注意不建議在日常開(kāi)發(fā)中使用。

Unsafe與CAS

AtomicInteger調(diào)用了Unsafe#getAndAddInt方法：

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

上述代碼等于是AtomicInteger調(diào)用UnSafe類的CAS方法，JVM幫我們實(shí)現(xiàn)出匯編指令，從而實(shí)現(xiàn)原子操作。

在Unsafe中g(shù)etAndAddInt方法實(shí)現(xiàn)如下：

 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;
    }

getAndAddInt方法有三個(gè)參數(shù)：

• 第一個(gè)參數(shù)表示當(dāng)前對(duì)象，也就是new的那個(gè)AtomicInteger對(duì)象；
• 第二個(gè)表示內(nèi)存地址；
• 第三個(gè)表示自增步伐，在AtomicInteger#incrementAndGet中默認(rèn)的自增步伐是1。

getAndAddInt方法中，首先把當(dāng)前對(duì)象主內(nèi)存中的值賦給val5，然后進(jìn)入while循環(huán)。判斷當(dāng)前對(duì)象此刻主內(nèi)存中的值是否等于val5，如果是，就自增（交換值），否則繼續(xù)循環(huán)，重新獲取val5的值。

在上述邏輯中核心方法是compareAndSwapInt方法，它是一個(gè)native方法，這個(gè)方法匯編之后是CPU原語(yǔ)指令，原語(yǔ)指令是連續(xù)執(zhí)行不會(huì)被打斷的，所以可以保證原子性。

在getAndAddInt方法中還涉及到一個(gè)實(shí)現(xiàn)自旋鎖。所謂的自旋，其實(shí)就是上面getAndAddInt方法中的do while循環(huán)操作。當(dāng)預(yù)期值和主內(nèi)存中的值不等時(shí)，就重新獲取主內(nèi)存中的值，這就是自旋。

這里我們可以看到CAS實(shí)現(xiàn)的一個(gè)缺點(diǎn)：內(nèi)部使用自旋的方式進(jìn)行CAS更新（while循環(huán)進(jìn)行CAS更新，如果更新失敗，則循環(huán)再次重試）。如果長(zhǎng)時(shí)間都不成功的話，就會(huì)造成CPU極大的開(kāi)銷。

另外，Unsafe類還支持了其他的CAS方法，比如compareAndSwapObject、 compareAndSwapInt、compareAndSwapLong?。

CAS的缺點(diǎn)

CAS高效地實(shí)現(xiàn)了原子性操作，但在以下三方面還存在著一些缺點(diǎn)：

• 循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)，開(kāi)銷大；
• 只能保證一個(gè)共享變量的原子操作；
• ABA問(wèn)題；

下面就這個(gè)三個(gè)問(wèn)題詳細(xì)討論一下。

循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)開(kāi)銷大

在分析Unsafe源代碼的時(shí)候我們已經(jīng)提到，在Unsafe的實(shí)現(xiàn)中使用了自旋鎖的機(jī)制。在該環(huán)節(jié)如果CAS?操作失敗，就需要循環(huán)進(jìn)行CAS操作(do while循環(huán)同時(shí)將期望值更新為最新的)，如果長(zhǎng)時(shí)間都不成功的話，那么會(huì)造成CPU極大的開(kāi)銷。如果JVM能支持處理器提供的pause指令那么效率會(huì)有一定的提升。

只能保證一個(gè)共享變量的原子操作

在最初的實(shí)例中，可以看出是針對(duì)一個(gè)共享變量使用了CAS機(jī)制，可以保證原子性操作。但如果存在多個(gè)共享變量，或一整個(gè)代碼塊的邏輯需要保證線程安全，CAS就無(wú)法保證原子性操作了，此時(shí)就需要考慮采用加鎖方式（悲觀鎖）保證原子性，或者有一個(gè)取巧的辦法，把多個(gè)共享變量合并成一個(gè)共享變量進(jìn)行CAS操作。

ABA問(wèn)題

雖然使用CAS可以實(shí)現(xiàn)非阻塞式的原子性操作，但是會(huì)產(chǎn)生ABA問(wèn)題，ABA問(wèn)題出現(xiàn)的基本流程：

• 進(jìn)程P1在共享變量中讀到值為A；
• P1被搶占了，進(jìn)程P2執(zhí)行；
• P2把共享變量里的值從A改成了B，再改回到A，此時(shí)被P1搶占；
• P1回來(lái)看到共享變量里的值沒(méi)有被改變，于是繼續(xù)執(zhí)行；

雖然P1以為變量值沒(méi)有改變，繼續(xù)執(zhí)行了，但是這個(gè)會(huì)引發(fā)一些潛在的問(wèn)題。ABA問(wèn)題最容易發(fā)生在lock free的算法中的，CAS首當(dāng)其沖，因?yàn)镃AS判斷的是指針的地址。如果這個(gè)地址被重用了呢，問(wèn)題就很大了（地址被重用是很經(jīng)常發(fā)生的，一個(gè)內(nèi)存分配后釋放了，再分配，很有可能還是原來(lái)的地址）。

維基百科上給了一個(gè)形象的例子：你拿著一個(gè)裝滿錢的手提箱在飛機(jī)場(chǎng)，此時(shí)過(guò)來(lái)了一個(gè)火辣性感的美女，然后她很暖昧地挑逗著你，并趁你不注意，把用一個(gè)一模一樣的手提箱和你那裝滿錢的箱子調(diào)了個(gè)包，然后就離開(kāi)了，你看到你的手提箱還在那，于是就提著手提箱去趕飛機(jī)去了。

ABA問(wèn)題的解決思路就是使用版本號(hào)：在變量前面追加上版本號(hào)，每次變量更新的時(shí)候把版本號(hào)加1，那么A->B->A就會(huì)變成1A->2B->3A。

另外，從Java 1.5開(kāi)始，JDK的Atomic包里提供了一個(gè)類AtomicStampedReference來(lái)解決ABA問(wèn)題。這個(gè)類的compareAndSet方法的作用是首先檢查當(dāng)前引用是否等于預(yù)期引用，并且檢查當(dāng)前標(biāo)志是否等于預(yù)期標(biāo)志，如果全部相等，則以原子方式將該引用和該標(biāo)志的值設(shè)置為給定的更新值。