多線程-CAS操作你真的了解嗎

CAS操作號稱無鎖優化，也叫作自旋；對於一些常見的操作需要加鎖，然后jdk就提供了一些以Atomic開頭的類，這些類內部自動帶了鎖，當然這里的鎖並非是用synchronized來實現的，而是通過CAS操作來實現的；

一、下面是 AtomicInteger 的使用：

package com.designmodal.design.juc01;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

/**
 * @author D-L
 * @Classname T03_AtomicInteger
 * @Version 1.0
 * @Description  使用 AtomicInteger 類解決常見的 多線程count++
 *               其內部使用了CAS操作來保證原子性  但是不能保證多個方法連續調用都是原子性
 * @Date 2020/7/21 0:35
 */
public class T03_AtomicInteger {
    //使用AtomicInteger類
    AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);

    public void m(){
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            //等同於 在 count++ 上加鎖
 count.incrementAndGet();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        T03_AtomicInteger t = new T03_AtomicInteger();
        List<Thread> threads = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            threads.add(new Thread(t::m , "Thread" + i));
        }
        threads.forEach((o) -> o.start());
        threads.forEach(o ->{
            try {
                o.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });

        System.out.println(t.count);
    }
}

二、當然達到使用的級別很簡單，看一下API就好了，通過上面的小程序，下面主要來聊一聊原理：

1、通過源碼分析AtomicInteger

• 首先小程序中定義了一個 AtomicInteger 類型的變量count；

 AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);

 public void add(){
    count.incrementAndGet();
 }

• 調用了AtomicInteger類中incrementAndGet();

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

• 調用unsafe類中的 getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4)方法；

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


 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;
    }

 這里通過以上三步的操作，最終會進入Unsafe類這里調用的 compareAndSwapInt 意思就是比較然后交換，通過一個while循環，在這里轉呀轉，直到修改成功；

CAS(compareAndSwap)（比較並交換）：原來想改變的值為0 ，現在想修改成1 ，這里想做到線程安全就必須要加synchronized，現在想用另外一種方式來替換加鎖的方法，就是所謂的CAS操作；你可以把它想象成擁有三個參數的方法cas(V ,  Expected  ,  NewValue);  第一個參數V是你要改的那個值，Expected第二個參數是你期望當前的值是多少（也就是如果沒有線程修改的時，這個值應該是多少，如果不是期望值那就證明有別的線程修改過），NewValue是要設置的新值;

上圖簡單模擬了CAS操作的過程，當線程1和線程2同時讀取了共享變量count = 0；在線程1修改的過程中，線程2已經將count值修改為1，那么在線程1修改的時候發現Expected值和V已經匹配不上了，證明已經有線程快我一步將count值改了（可能這里並發量大的時候已經有n多個線程已經修改過了），怎么辦呢？那我只能將我的期望值修改成V的值、newValue 在這基礎上加1，然后繼續在這自旋操作，直到修改成功，這就是自旋操作；

 2、Unsafe類(java並發包底層實現的核心)

CAS操作不需要加鎖是如何做到的呢？原因就在於Unsafe這個類，這個類除了你使用反射之外，你是不能夠直接使用的，這里不能使用的原因和ClassLoader有關系，所有AtomicXXX 類內部都是CompareAndSwap / CompareAndSet（新版jdk）,這個類中存在好多native方法；

Unsafe類使Java擁有了像C語言的指針一樣操作內存空間的能力，一旦能夠直接操作內存，這也就意味着（1）不受JVM管理，也就意味着無法被GC，需要我們手動GC，稍有不慎就會出現內存泄漏。（2）Unsafe的不少方法中必須提供原始地址(內存地址)和被替換對象的地址，偏移量要自己計算，一旦出現問題就是JVM崩潰級別的異常，會導致整個JVM實例崩潰，表現為應用程序直接crash掉。（3）直接操作內存，也意味着其速度更快，在高並發的條件之下能夠很好地提高效率。

CAS：CompareAndSwap，內存偏移地址(var2)，預期值(var4)，新值(var5)。如果變量在當前時刻的值和預期值expected相等，嘗試將變量的值更新為新值(var5)。如果更新成功，返回true；否則，返回false。

 /**
     *  CAS操作 ：Unsafe類中的本地方法  由於Java語言無法訪問操作系統底層信息（比如：底層硬件設備等），
     *  這時候就需要借助C C++語言來完成了
     * @param var1 對象
     * @param var2 偏移量
     * @param var4 期望值
     * @param var5 新值
     * @return 修改成功返回true 失敗返回false
     */
    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);

 

三、CAS操作帶來的ABA問題

ABA問題說白了就是在線程進行CAS操作過程中有多個線程對這個共享變量進行修改，有加有減，兜兜轉轉又回到起始值，這時該線程渾然不知；打個不恰當的比喻：這個過程就好像你前女友跟你分手以后，在時隔一年之后又找你復合來了，說兜兜轉轉還是覺得你好，在此期間你前女友已經換了幾個男朋友你卻渾然不知，那個好看的她穿着你喜歡的小短裙，扎着清純的馬尾辮又回來，好了言歸正傳，意思就是結果是你期望的，可是這個值是經過很多版本的。

下面簡單模擬ABA操作圖：

 

 如何解決ABA問題呢？

如果是int類型，最終的值也是你期望的，真的是沒有所謂，你也不用去糾結這問題；如果你確實就想管一管，那就加一個版本號，做一次修改操作加一，比較檢查時連帶版本號一起檢查。

基礎類型：沒有必要管，對你真的沒有所謂；

引用類型：就像是你女朋友和你分手之后又復合，中間經歷了多少個男朋友，這個是有所謂的，這時可以通過加版本號來解決；