【你好面试官】009Java内存模型之CAS原理解析和Java原子操作

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前言

二蛋几天没有收到面试通知，以为自己已经凉凉，没想到此时再次接到了面试邀请，于是在一个风和日丽的下午，二蛋如约坐在了面试官对面，开始了今天的面试。

面试官：小伙子，咱也不用继续介绍了，你也来了几次了，这次咱就开门见山吧。

正文

详细讲一下Java如何实现原子操作？

什么是原子操作以及处理器如何实现原子操作已经在上一篇文章讲过，不清楚可以查看：
【你好面试官】008 Java内存模型指volatile底层原理

一般来说，Java实现原子操作主要有两种方式实现
通过锁和循环CAS。

CAS原理

CAS：比较和交换（Conmpare And Swap）是用于实现多线程同步的原子指令。 它将内存位置的内容与给定值进行比较，只有在相同的情况下，将该内存位置的内容修改为新的给定值。 这是作为单个原子操作完成的。 原子性保证新值基于最新信息计算; 如果该值在同一时间被另一个线程更新，则写入将失败。 操作结果必须说明是否进行替换; 这可以通过一个简单的布尔响应（这个变体通常称为比较和设置），或通过返回从内存位置读取的值来完成。

简单来说，CAS机制当中使用了3个基本操作数：内存地址V，旧的预期值A，要修改的新值B。
更新一个变量的时候，只有当变量的预期值A和内存地址V当中的实际值相同时，才会将内存地址V对应的值修改为B。

例如：

在主内存中，X=10，然后线程A获取到X的值并缓存在自己的本地内存，线程B获取到X的值，并将X的值修改为15，然后写回到内存，此时线程A计算的X的值为11，想把X的值写回到主内存，此时进行CAS操作，即预期X最初的值为10，而内存中的值已经变为15，此时不相等，就不能将11再写回到主内存，此时会重新获取主内存的值进行计算，然后继续回写，循环操作。如果没有其他线程修改X的值，则比较成功，可以将X=11写回到主内存。

JVM中的CAS操作正是利用了处理器提供的CMPXCHG指令实现的。自旋CAS实现的基本 思路就是循环进行CAS操作直到成功为止。

从Java 1.5开始，JDK的并发包里提供了一些类来支持原子操作，如AtomicBoolean（用原子方式更新的boolean值）、AtomicInteger（用原子方式更新的int值）和AtomicLong（用原子方式更 新的long值）。这些原子包装类还提供了有用的工具方法，比如以原子的方式将当前值自增1和 自减1。

1 public final int getAndSetInt(Object var1, long var2, int var4) {
2        int var5;
3        do {
4            var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
5        } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var4));
6
7        return var5;
8    }


使用CAS示例：

1private void safeCount() {
2        AtomicInteger atomicI = new AtomicInteger(0);
3        for (; ; ) {
4            int i = atomicI.get();
5            boolean suc = atomicI.compareAndSet(i, ++i);
6            if (suc) {
7                break;
8            }
9        }
10    }


CAS实现原子操作的三大问题

1）ABA问题。
因为CAS需要在操作值的时候，检查值有没有发生变化，如果没有发生变化 则更新，但是如果一个值原来是A，变成了B，又变成了A，那么使用CAS进行检查时会发现它的值没有发生变化，但是实际上却变化了。ABA问题的解决思路就是使用版本号。在变量前面 追加上版本号，每次变量更新的时候把版本号加1，那么A→B→A就会变成1A→2B→3A。从 Java 1.5开始，JDK的Atomic包里提供了一个类AtomicStampedReference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，并且检查当前标志是否等于预期标志，如果全部相等，则以原子方式将该引用和该标志的值设置为给定的更新值。

2）循环时间长开销大。
自旋CAS如果长时间不成功，会给CPU带来非常大的执行开销。如果JVM能支持处理器提供的pause指令，那么效率会有一定的提升。pause指令有两个作用：第一，它可以延迟流水线执行指令（de-pipeline），使CPU不会消耗过多的执行资源，延迟的时间 取决于具体实现的版本，在一些处理器上延迟时间是零；第二，它可以避免在退出循环的时候 因内存顺序冲突（Memory Order Violation）而引起CPU流水线被清空（CPU Pipeline Flush），从而提高CPU的执行效率。

3）只能保证一个共享变量的原子操作。
当对一个共享变量执行操作时，我们可以使用循环CAS的方式来保证原子操作，但是对多个共享变量操作时，循环CAS就无法保证操作的原子性，这个时候就可以用锁。还有一个取巧的办法，就是把多个共享变量合并成一个共享变量来 操作。比如，有两个共享变量i＝2，j=a，合并一下ij=2a，然后用CAS来操作ij。从Java 1.5开始， JDK提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性，就可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作。

使用锁机制实现原子操作

锁机制保证了只有获得锁的线程才能够操作锁定的内存区域。JVM内部实现了很多种锁 机制，有偏向锁、轻量级锁和互斥锁。有意思的是除了偏向锁，JVM实现锁的方式都用了循环CAS，即当一个线程想进入同步块的时候使用循环CAS的方式来获取锁，当它退出同步块的时候使用循环CAS释放锁。

面试官：嗯，今天的面试就到这里吧，回去好好准备下一次面试吧。