三分鐘帶你秒懂CAS實(shí)現(xiàn)機(jī)制
一、摘要
在 Java 的java.util.concurrent包中，除了提供底層鎖、并發(fā)同步等工具類(lèi)以外，還提供了一組原子操作類(lèi)，大多以Atomic開(kāi)頭，他們位于java.util.concurrent.atomic包下。
所謂原子類(lèi)操作，顧名思義，就是這個(gè)操作要么全部執(zhí)行成功，要么全部執(zhí)行失敗，是保證并發(fā)編程安全的重要一環(huán)。
以AtomicInteger原子類(lèi)為例，應(yīng)用示例如下！
public class Demo {
/**
* 初始化一個(gè)原子操作類(lèi)
*/
private static AtomicInteger a = new AtomicInteger();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
final int threads = 10;
CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threads);
for (int i = 0; i < threads; i++) {
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
for (int j = 0; j < 1000; j++) {
// 采用原子性操作累加
a.incrementAndGet();
}
countDownLatch.countDown();
}
}).start();
}
// 阻塞等待10個(gè)線程執(zhí)行完畢
countDownLatch.await();
// 輸出結(jié)果值
System.out.println("結(jié)果值：" + a.get());
}
}輸出結(jié)果：
結(jié)果值：10000相比通過(guò)synchronized和lock等方式實(shí)現(xiàn)的線程安全同步操作，原子類(lèi)的實(shí)現(xiàn)機(jī)制則完全不同。它采用的是通過(guò)無(wú)鎖（lock-free）的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)線程安全（thread-safe）訪問(wèn)，底層原理主要基于CAS操作來(lái)實(shí)現(xiàn)。
某些業(yè)務(wù)場(chǎng)景下，通過(guò)原子類(lèi)來(lái)操作，既可以實(shí)現(xiàn)線程安全的要求，又可以實(shí)現(xiàn)高效的并發(fā)性能，同時(shí)編程方面更加簡(jiǎn)單。
二、什么是 CAS 操作呢？
CAS，全稱(chēng)是：Compare and Swap，翻譯過(guò)來(lái)就是：比較并替換。它是實(shí)現(xiàn)并發(fā)算法時(shí)常用的一種技術(shù)，它包含三個(gè)操作數(shù)：內(nèi)存位置、預(yù)期原值及新值。在執(zhí)行CAS操作的時(shí)候，會(huì)將內(nèi)存位置的值與預(yù)期原值比較，如果一致，會(huì)將該位置的值更新為新值；否則，不做任何操作。
我們還是以AtomicInteger原子類(lèi)為例，部分源碼內(nèi)容如下：
public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
private static final long serialVersionUID = 6214790243416807050L;
// 使用 Unsafe.compareAndSwapInt 方法進(jìn)行 CAS 操作
private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
private static final long valueOffset;
static {
try {
valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
(AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
} catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}
// 變量使用 volatile 保證可見(jiàn)性
private volatile int value;
/**
* get 方法
*/
public final int get() {
return value;
}
/**
* 原子性自增操作
*/
public final int incrementAndGet() {
return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
}
}從源碼上可以清晰的看出，變量value使用了volatile關(guān)鍵字，保證數(shù)據(jù)可見(jiàn)性和程序的有序性；原子性自增操作incrementAndGet()方法，路由到Unsafe.getAndAddInt()方法上。
我們繼續(xù)往下看Unsafe.getAndAddInt()這個(gè)方法，部分源碼內(nèi)容如下：
public final class Unsafe {
public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
int var5;
// 1.循環(huán)比較并替換，只有成功才返回
do {
// 2.調(diào)用底層方法得到 value 值
var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
// 3.通過(guò)var1和var2得到底層值，var5為當(dāng)前值，如果底層值與當(dāng)前值相同，則將值設(shè)為var5+var4
} while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));
// 4.如果替換成功，返回當(dāng)前值
return var5;
}
/**
* CAS 核心方法，由其他語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，不再分析
*/
public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);
}從以上的源碼可以清晰的看到，incrementAndGet()方法主要基于Unsafe.compareAndSwapInt方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)進(jìn)行了循環(huán)比較與替換的操作，只有替換成功才會(huì)返回，這個(gè)過(guò)程也被稱(chēng)為自旋操作，確保程序執(zhí)行成功，進(jìn)一步保證了操作的原子性。
其它的方法實(shí)現(xiàn)思路也類(lèi)似。
如果我們自己通過(guò)CAS編寫(xiě)incrementAndGet()，大概長(zhǎng)這樣：
public int incrementAndGet(AtomicInteger var) {
int prev, next;
do {
prev = var.get();
next = prev + 1;
} while ( !var.compareAndSet(prev, next));
return next;
}當(dāng)并發(fā)數(shù)量比較低的時(shí)候，采用CAS這種方式可以實(shí)現(xiàn)更快的執(zhí)行效率；當(dāng)并發(fā)數(shù)量比較高的時(shí)候，因?yàn)榇嬖谘h(huán)比較與替換的邏輯，如果長(zhǎng)時(shí)間循環(huán)，可能會(huì)更加消耗 CPU 資源，此時(shí)采用synchronized或Lock來(lái)實(shí)現(xiàn)線程同步，可能會(huì)更有優(yōu)勢(shì)。
三、ABA問(wèn)題
從上文的分析中，我們知道 CAS 在操作的時(shí)候會(huì)檢查預(yù)期原值是否發(fā)生變化，當(dāng)預(yù)期原值沒(méi)有發(fā)生變化才會(huì)更新值。
在實(shí)際業(yè)務(wù)中，可能會(huì)出現(xiàn)這么一個(gè)現(xiàn)象：線程 t1 正嘗試將共享變量的值 A 進(jìn)行修改，但還沒(méi)修改；此時(shí)另一個(gè)線程 t2 獲取到 CPU 時(shí)間片，將共享變量的值 A 修改成 B，然后又修改為 A，此時(shí)線程 t1 檢查發(fā)現(xiàn)共享變量的值沒(méi)有發(fā)生變化，就會(huì)主動(dòng)去更新值，導(dǎo)致出現(xiàn)了錯(cuò)誤更新，但是實(shí)際上原始值在這個(gè)過(guò)程中發(fā)生了好幾次變化。這個(gè)現(xiàn)象我們稱(chēng)它為 ABA 問(wèn)題。
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，原來(lái)的A-B-A就會(huì)變成1A-2B-3A。
在java.util.concurrent.atomic包下提供了AtomicStampedReference類(lèi)，它支持指定版本號(hào)來(lái)更新，可以通過(guò)它來(lái)解決 ABA 問(wèn)題。
在AtomicStampedReference類(lèi)的compareAndSet()方法中，會(huì)檢查當(dāng)前引用是否等于預(yù)期引用，并且當(dāng)前版本號(hào)是否等于預(yù)期版本號(hào)，如果全部相等，則以原子方式將該引用的值設(shè)置為給定的更新值，同時(shí)更新版本號(hào)。
具體示例如下：
// 初始化一個(gè)帶版本號(hào)的原子操作類(lèi)，原始值：a，原始版本號(hào)：1
AtomicStampedReference<String> reference = new AtomicStampedReference<>("a", 1);
// 將a更為b，同時(shí)將版本號(hào)加1，第一個(gè)參數(shù)：預(yù)期原值；第二個(gè)參數(shù)：更新后的新值；第三個(gè)參數(shù)：預(yù)期原版本號(hào)；第四個(gè)參數(shù)：更新后的版本號(hào)
boolean result1 = reference.compareAndSet("a", "b", reference.getStamp(), reference.getStamp() + 1);
System.out.println("第一次更新：" + result1);
// 將b更為a，因?yàn)轭A(yù)期原版本號(hào)不對(duì)，所以更新失敗
boolean result2 = reference.compareAndSet("b", "a", 1, reference.getStamp());
System.out.println("第二次更新：" + result2);輸出結(jié)果：
第一次更新：true
第二次更新：false四、小結(jié)
本文主要以AtomicInteger的用法和原理為例，對(duì) CAS 實(shí)現(xiàn)原理進(jìn)行介紹，JUC包下的原子操作類(lèi)非常的多，但是大體用法和原理基本相似，只是針對(duì)不同的數(shù)據(jù)類(lèi)型做了細(xì)分處理。
希望本篇的知識(shí)總結(jié)，能幫助到大家！
五、參考
1.https://www.liaoxuefeng.com/wiki/1252599548343744/1306581083881506
2.https://blog.csdn.net/zzti_erlie/article/details/123001758
3.https://juejin.cn/post/7057032581165875231
