JAVA中的CAS

CAS概念與原理

　　CAS，全稱Compare And Swap（比較與交換），解決多線程並行情況下使用鎖造成性能損耗的一種機制。

　　實現思想 CAS（V, A, B），V為內存地址、A為預期原值，B為新值。如果內存地址的值與預期原值相匹配，那么將該位置值更新為新值。否則，說明已經被其他線程更新，處理器不做任何操作；無論哪種情況，它都會在 CAS 指令之前返回該位置的值。而我們可以使用自旋鎖，循環CAS，重新讀取該變量再嘗試再次修改該變量，也可以放棄操作。

　　CAS操作由處理器提供支持，是一種原語。原語是操作系統或計算機網絡用語范疇。是由若干條指令組成的，用於完成一定功能的一個過程，具有不可分割性，即原語的執行必須是連續的，在執行過程中不允許被中斷。如 Intel 處理器，比較並交換通過指令的 cmpxchg 系列實現。處理器相關指令不做過多介紹，有興趣的可自行查閱資料。

 

JDK1.8 中的CAS

　　Unsafe類，在sun.misc包下，不屬於Java標准。Unsafe類提供一系列增加Java語言能力的操作，如內存管理、操作類/對象/變量、多線程同步等。其中與CAS相關的方法有以下幾個：

//var1為CAS操作的對象，offset為var1某個屬性的地址偏移值，expected為期望值，var2為要設置的值，利用JNI來完成CPU指令的操作
public final native boolean compareAndSwapObject(Object var1, long offset, Object expected, Object var2);
public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long offset, int expected, int var2);
public final native boolean compareAndSwapLong(Object var1, long offset, long expected, long var2);

　　

    /** 如果CAS成功，return oldValue, oldValue =  oldValue + addValue
     *  如果CAS失敗，自旋，一直運行，直到成功為止
     */
    public final Xxx getAndAddXxx(Object var1, long offset, long addValue) {
        int oldValue;
        do {
            oldValue = this.getIntVolatile(var1, offset);
        } while(!this.compareAndSwapInt(var1, offset, oldValue, oldValue + addValue));

        return oldValue;
    }

    /** 如果CAS成功，return oldValue, oldValue =  newValue
     *  如果CAS失敗，自旋，一直運行，直到成功為止
     */
    public final Xxx getAndSetXxx(Object var1, long offset, Object newValue) {
        int oldValue;
        do {
            oldValue = this.getXxxVolatile(var1, offset);
        } while(!this.compareAndSwapXxx(var1, offset, oldValue, newValue));

        return oldValue;
    }

　　一般不建議使用Unsafe類，除非對它有很深入的了解。

　　

　　java.util.concurrent包中大量使用了CAS原理，如AtomicInteger類，都是調用上面幾個Unsafe方法保證多線程數據的正確性

　　以下是AtomicInteger的CAS操作相關源碼

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 6214790243416807050L;

    // setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updates
    // Unsafe類，提供一系列增強Java的功能，如內存管理、操作類/對象/變量、多線程同步等。不建議開發者調用
    private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
    // 獲取對象某個屬性的地址偏移值
    private static final long valueOffset;

    static {
        try {
            // value相對“起始地址”的偏移量
            valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
                    (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
        } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
    }

    // value值， volatile修飾，保證不同線程間的可見性
    private volatile int value;
    public AtomicInteger(int initialValue) { value = initialValue; }
    public AtomicInteger() {}

    public final int get() { return value; }
    public final void set(int newValue) { value = newValue; }

    /**
     * Eventually sets to the given value.
     *
     * @param newValue the new value
     * @since 1.6
     */
    public final void lazySet(int newValue) {
        //有序或者有延遲的putIntVolatile方法
        unsafe.putOrderedInt(this, valueOffset, newValue);
    }

    /**
     * Atomically sets to the given value and returns the old value.
     * @param newValue the new value
     * @return the previous value
     */
    public final int getAndSet(int newValue) {
        return unsafe.getAndSetInt(this, valueOffset, newValue);
    }

    /**
     * Atomically sets the value to the given updated value
     * if the current value {@code ==} the expected value.
     * @param expect the expected value
     * @param update the new value
     * @return {@code true} if successful. False return indicates that
     * the actual value was not equal to the expected value.
     */
    public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
        // JNI調用，實現CAS
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
    }

    /**
     * i++ 操作
     * Atomically increments by one the current value.
     * @return the previous value
     */
    public final int getAndIncrement() {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
    }

    /**
     * i-- 操作
     * Atomically decrements by one the current value.
     * @return the previous value
     */
    public final int getAndDecrement() {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, -1);
    }

    /**
     * return i, i = i + n 操作
     * Atomically adds the given value to the current value.
     * @param delta the value to add
     * @return the previous value
     */
    public final int getAndAdd(int delta) {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta);
    }

    /**
     * ++i 操作
     * Atomically increments by one the current value.
     * @return the updated value
     */
    public final int incrementAndGet() {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
    }

    /**
     * --i 操作
     * Atomically decrements by one the current value.
     * @return the updated value
     */
    public final int decrementAndGet() {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, -1) - 1;
    }

    /**
     * i = i + n ,return i操作
     * Atomically adds the given value to the current value.
     * @param delta the value to add
     * @return the updated value
     */
    public final int addAndGet(int delta) {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta) + delta;
    }
    // 其余函數，略...

　　

CAS缺點

　　CAS有幾個缺點：

　　1、ABA問題。當第一個線程執行CAS操作，尚未修改為新值之前，內存中的值已經被其他線程連續修改了兩次，使得變量值經歷 A -> B -> A的過程。

　　解決方案：添加版本號作為標識，每次修改變量值時，對應增加版本號； 做CAS操作前需要校驗版本號。JDK1.5之后，新增AtomicStampedReference類來處理這種情況。

　　2、循環時間長開銷大。如果有很多個線程並發，CAS自旋可能會長時間不成功，會增大CPU的執行開銷。

　　3、只能對一個變量進原子操作。JDK1.5之后，新增AtomicReference類來處理這種情況，可以將多個變量放到一個對象中。