并发系列之CAS与原子操作

1、CAS的概念

CAS的全称是&＃xff1a;比较并交换&＃xff08;Compare And Swap&＃xff09;。在CAS中&＃xff0c;有这样三个值&＃xff1a;

1. V&＃xff1a;要更新的变量(var)
2. E&＃xff1a;预期值(expected)
3. N&＃xff1a;新值(new)

比较并交换的过程如下&＃xff1a;
      判断V是否等于E&＃xff0c;如果等于&＃xff0c;将V的值设置为N&＃xff1b;如果不等&＃xff0c;说明已经有其它线程更新了V&＃xff0c;则当前线程放弃更新&＃xff0c;什么都不做。所以这里的预期值E本质上指的是“旧值”。

例子&＃xff1a;

1. 如果有一个多个线程共享的变量i原本等于5&＃xff0c;我现在在线程A中&＃xff0c;想把它设置为新的值6;
2. 我们使用CAS来做这个事情&＃xff1b;
3. 首先我们用i去与5对比&＃xff0c;发现它等于5&＃xff0c;说明没有被其它线程改过&＃xff0c;那我就把它设置为新的值6&＃xff0c;此次CAS成功&＃xff0c;i的值被设置成了6&＃xff1b;
4. 如果不等于5&＃xff0c;说明i被其它线程改过了&＃xff08;比如现在i的值为2&＃xff09;&＃xff0c;那么我就什么也不做&＃xff0c;此次CAS失败&＃xff0c;i的值仍然为2。

      &＃xff08;在这个例子中&＃xff0c;i就是V&＃xff0c;5就是E&＃xff0c;6就是N。&＃xff09;CAS是一种原子操作&＃xff0c;它是一种系统原语&＃xff0c;是一条CPU的原子指令&＃xff0c;从CPU层面保证它的原子性。
      当多个线程同时使用CAS操作一个变量时&＃xff0c;只有一个会胜出&＃xff0c;并成功更新&＃xff0c;其余均会失败&＃xff0c;但失败的线程并不会被挂起&＃xff0c;仅是被告知失败&＃xff0c;并且允许再次尝试&＃xff0c;当然也允许失败的线程放弃操作。

2、Java实现CAS的原理 - Unsafe类

      在Java中&＃xff0c;如果一个方法是native的&＃xff0c;那Java就不负责具体实现它&＃xff0c;而是交给底层的JVM使用c或者c&＃43;&＃43;去实现。
      在Java中&＃xff0c;有一个Unsafe类&＃xff0c;它在sun.misc包中。它里面是一些native方法&＃xff0c;其中就有几个关于CAS的&＃xff08;Unsafe中对CAS的实现是C&＃43;&＃43;写的&＃xff0c;它的具体实现和操作系统、CPU都有关系。&＃xff09;&＃xff1a;

public final native boolean compareAndSwapObject(Object var1, long var2, Object var4, Object var5);
public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);
public final native boolean compareAndSwapLong(Object var1, long var2, long var4, long var6);


      Linux的X86下主要是通过cmpxchgl这个指令在CPU级完成CAS操作的&＃xff0c;但在多处理器情况下必须使用lock指令加锁来完成。
      当然&＃xff0c;Unsafe类里面还有其它方法用于不同的用途。比如支持线程挂起和恢复的park和unpark&＃xff0c; LockSupport类底层就是调用了这两个方法。还有支持反射操作的allocateInstance()方法。

3、原子操作-AtomicInteger类源码简析

      JDK提供了一些用于原子操作的类&＃xff0c;在java.util.concurrent.atomic包下面。在JDK 8中&＃xff0c;有如下17个类&＃xff1a;

从名字就可以看得出来这些类大概的用途&＃xff1a;

1. 原子更新基本类型
2. 原子更新数组
3. 原子更新引用
4. 原子更新字段&＃xff08;属性&＃xff09;

以AtomicInteger类的getAndAdd(int delta)方法为例&＃xff08;U其实就是一个Unsafe对象&＃xff09;&＃xff1a;

private static final Unsafe unsafe &＃61; Unsafe.getUnsafe();
public final int getAndAdd(int delta) {return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta);
}
//注&＃xff1a;这个方法是在JDK 1.8才新增的。在JDK1.8之前&＃xff0c;AtomicInteger源码实现有所不同&＃xff0c;是基于for死循环的&＃xff0c;有兴趣的读者可以自行了解一下。
public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {int var5;do {var5 &＃61; this.getIntVolatile(var1, var2);} while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 &＃43; var4));return var5;
}


4、CAS实现原子操作的三大问题

4.1、ABA问题

      所谓ABA问题&＃xff0c;就是一个值原来是A&＃xff0c;变成了B&＃xff0c;又变回了A。这个时候使用CAS是检查不出变化的&＃xff0c;但实际上却被更新了两次。
      ABA问题的解决思路是在变量前面追加上版本号或者时间戳。从JDK 1.5开始&＃xff0c;JDK的atomic包里提供了一个类AtomicStampedReference类来解决ABA问题。
      这个类的compareAndSet方法的作用是首先检查当前引用是否等于预期引用&＃xff0c;并且检查当前标志是否等于预期标志&＃xff0c;如果二者都相等&＃xff0c;才使用CAS设置为新的值和标志。

public boolean compareAndSet(V expectedReference,V newReference,int expectedStamp,int newStamp) {Pair<V> current &＃61; pair;returnexpectedReference &＃61;&＃61; current.reference &&expectedStamp &＃61;&＃61; current.stamp &&((newReference &＃61;&＃61; current.reference &&newStamp &＃61;&＃61; current.stamp) ||casPair(current, Pair.of(newReference, newStamp)));
}


4.2、循环时间长开销大

      CAS多与自旋结合。如果自旋CAS长时间不成功&＃xff0c;会占用大量的CPU资源。
      解决思路是让JVM支持处理器提供的pause指令。pause指令能让自旋失败时cpu睡眠一小段时间再继续自旋&＃xff0c;从而使得读操作的频率低很多,为解决内存顺序冲突而导致的CPU流水线重排的代价也会小很多。

4.3、只能保证一个共享变量的原子操作

两种解决方案&＃xff1a;

1. 使用JDK 1.5开始就提供的AtomicReference类保证对象之间的原子性&＃xff0c;把多个变量放到一个对象里面进行CAS操作&＃xff1b;
2. 使用锁。锁内的临界区代码可以保证只有当前线程能操作。

5、往期佳文

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5.5、多线程系列

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2、并发系列之JMM内存模型
3、并发系列之synchronized解析
4、并发系列之volatile解析
5、并发系列之synchronized与volatile的区别
6、并发系列之Lock解析
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