JAVA中的CAS-白红宇

JAVA中的CAS

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发布时间：2019-06-08

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一、CAS概念与原理

　　CAS，全称Compare And Swap（比较与交换），解决多线程并行情况下使用锁造成性能损耗的一种机制。

　　实现思想 CAS（V, A, B），V为内存地址、A为预期原值，B为新值。如果内存地址的值与预期原值相匹配，那么将该位置值更新为新值。否则，说明已经被其他线程更新，处理器不做任何操作；无论哪种情况，它都会在 CAS 指令之前返回该位置的值。而我们可以使用自旋锁，循环CAS，重新读取该变量再尝试再次修改该变量，也可以放弃操作。

　　CAS操作由处理器提供支持，是一种原语。原语是操作系统或计算机网络用语范畴。是由若干条指令组成的，用于完成一定功能的一个过程，具有不可分割性，即原语的执行必须是连续的，在执行过程中不允许被中断。如 Intel 处理器，比较并交换通过指令的 cmpxchg 系列实现。处理器相关指令不做过多介绍，有兴趣的可自行查阅资料。

二、JDK1.8 中的CAS

　　Unsafe类，在sun.misc包下，不属于Java标准。Unsafe类提供一系列增加Java语言能力的操作，如内存管理、操作类/对象/变量、多线程同步等。其中与CAS相关的方法有以下几个：

//var1为CAS操作的对象，offset为var1某个属性的地址偏移值，expected为期望值，var2为要设置的值，利用JNI来完成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失败，自旋，一直运行，直到成功为止     */    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失败，自旋，一直运行，直到成功为止     */    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;    }

　　一般不建议使用Unsafe类，除非对它有很深入的了解。

　　java.util.concurrent包中大量使用了CAS原理，如AtomicInteger类，都是调用上面几个Unsafe方法保证多线程数据的正确性

　　以下是AtomicInteger的CAS操作相关源码

1 public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {  2     private static final long serialVersionUID = 6214790243416807050L;  3   4     // setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updates  5     // Unsafe类，提供一系列增强Java的功能，如内存管理、操作类/对象/变量、多线程同步等。不建议开发者调用  6     private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();  7     // 获取对象某个属性的地址偏移值  8     private static final long valueOffset;  9  10     static { 11         try { 12             // value相对“起始地址”的偏移量 13             valueOffset = unsafe.objectFieldOffset 14                     (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value")); 15         } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); } 16     } 17  18     // value值， volatile修饰，保证不同线程间的可见性 19     private volatile int value; 20     public AtomicInteger(int initialValue) { value = initialValue; } 21     public AtomicInteger() {} 22  23     public final int get() { return value; } 24     public final void set(int newValue) { value = newValue; } 25  26     /** 27      * Eventually sets to the given value. 28      * 29      * @param newValue the new value 30      * @since 1.6 31      */ 32     public final void lazySet(int newValue) { 33         //有序或者有延迟的putIntVolatile方法 34         unsafe.putOrderedInt(this, valueOffset, newValue); 35     } 36  37     /** 38      * Atomically sets to the given value and returns the old value. 39      * @param newValue the new value 40      * @return the previous value 41      */ 42     public final int getAndSet(int newValue) { 43         return unsafe.getAndSetInt(this, valueOffset, newValue); 44     } 45  46     /** 47      * Atomically sets the value to the given updated value 48      * if the current value {
    @code ==} the expected value. 49      * @param expect the expected value 50      * @param update the new value 51      * @return {
    @code true} if successful. False return indicates that 52      * the actual value was not equal to the expected value. 53      */ 54     public final boolean compareAndSet(int expect, int update) { 55         // JNI调用，实现CAS 56         return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update); 57     } 58  59     /** 60      * i++ 操作 61      * Atomically increments by one the current value. 62      * @return the previous value 63      */ 64     public final int getAndIncrement() { 65         return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1); 66     } 67  68     /** 69      * i-- 操作 70      * Atomically decrements by one the current value. 71      * @return the previous value 72      */ 73     public final int getAndDecrement() { 74         return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, -1); 75     } 76  77     /** 78      * return i, i = i + n 操作 79      * Atomically adds the given value to the current value. 80      * @param delta the value to add 81      * @return the previous value 82      */ 83     public final int getAndAdd(int delta) { 84         return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta); 85     } 86  87     /** 88      * ++i 操作 89      * Atomically increments by one the current value. 90      * @return the updated value 91      */ 92     public final int incrementAndGet() { 93         return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1; 94     } 95  96     /** 97      * --i 操作 98      * Atomically decrements by one the current value. 99      * @return the updated value100      */101     public final int decrementAndGet() {102         return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, -1) - 1;103     }104 105     /**106      * i = i + n ,return i操作107      * Atomically adds the given value to the current value.108      * @param delta the value to add109      * @return the updated value110      */111     public final int addAndGet(int delta) {112         return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta) + delta;113     }114     // 其余函数，略...115

三、CAS缺点

　　CAS有几个缺点：

　　1、ABA问题。当第一个线程执行CAS操作，尚未修改为新值之前，内存中的值已经被其他线程连续修改了两次，使得变量值经历 A -> B -> A的过程。

　　解决方案：添加版本号作为标识，每次修改变量值时，对应增加版本号；做CAS操作前需要校验版本号。JDK1.5之后，新增AtomicStampedReference类来处理这种情况。

　　2、循环时间长开销大。如果有很多个线程并发，CAS自旋可能会长时间不成功，会增大CPU的执行开销。

　　3、只能对一个变量进原子操作。JDK1.5之后，新增AtomicReference类来处理这种情况，可以将多个变量放到一个对象中。

转载于:https://www.cnblogs.com/Shuuichi/p/10590710.html

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