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并发编程的灵魂：CAS机制详解

Java中提供了很多原子操作类来保证共享变量操作的原子性。这些原子操作的底层原理都是使用了CAS机制。在使用一门技术之前，了解这个技术的底层原理是非常重要的，所以本篇文章就先来讲讲什么是CAS机制，CAS机制存在的一些问题以及在Java中怎么使用CAS机制。

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其实Java并发框架的基石一共有两块，一块是本文介绍的CAS，另一块就是AQS，后续也会写文章介绍。

什么是CAS机制

CAS机制是一种数据更新的方式。在具体讲什么是CAS机制之前，我们先来聊下在多线程环境下，对共享变量进行数据更新的两种模式：悲观锁模式和乐观锁模式。

悲观锁更新的方式认为：在更新数据的时候大概率会有其他线程去争夺共享资源，所以悲观锁的做法是：第一个获取资源的线程会将资源锁定起来，其他没争夺到资源的线程只能进入阻塞队列，等第一个获取资源的线程释放锁之后，这些线程才能有机会重新争夺资源。synchronized就是java中悲观锁的典型实现，synchronized使用起来非常简单方便，但是会使没争抢到资源的线程进入阻塞状态，线程在阻塞状态和Runnable状态之间切换效率较低（比较慢）。比如你的更新操作其实是非常快的，这种情况下你还用synchronized将其他线程都锁住了，线程从Blocked状态切换回Runnable华的时间可能比你的更新操作的时间还要长。

乐观锁更新方式认为:在更新数据的时候其他线程争抢这个共享变量的概率非常小，所以更新数据的时候不会对共享数据加锁。但是在正式更新数据之前会检查数据是否被其他线程改变过，如果未被其他线程改变过就将共享变量更新成最新值，如果发现共享变量已经被其他线程更新过了，就重试，直到成功为止。CAS机制就是乐观锁的典型实现。

CAS，是Compare and Swap的简称，在这个机制中有三个核心的参数：

  • 主内存中存放的共享变量的值：V（一般情况下这个V是内存的地址值，通过这个地址可以获得内存中的值）
  • 工作内存中共享变量的副本值，也叫预期值：A
  • 需要将共享变量更新到的最新值：B

并发编程的灵魂：CAS机制详解

如上图中，主存中保存V值，线程中要使用V值要先从主存中读取V值到线程的工作内存A中，然后计算后变成B值，最后再把B值写回到内存V值中。多个线程共用V值都是如此操作。CAS的核心是在将B值写入到V之前要比较A值和V值是否相同，如果不相同证明此时V值已经被其他线程改变，重新将V值赋给A，并重新计算得到B，如果相同，则将B值赋给V。

值得注意的是CAS机制中的这步步骤是原子性的（从指令层面提供的原子操作），所以CAS机制可以解决多线程并发编程对共享变量读写的原子性问题。

CAS机制优缺点

缺点

1. ABA问题
ABA问题：CAS在操作的时候会检查变量的值是否被更改过，如果没有则更新值，但是带来一个问题，最开始的值是A，接着变成B，最后又变成了A。经过检查这个值确实没有修改过，因为最后的值还是A，但是实际上这个值确实已经被修改过了。为了解决这个问题，在每次进行操作的时候加上一个版本号，每次操作的就是两个值，一个版本号和某个值，A——>B——>A问题就变成了1A——>2B——>3A。在jdk中提供了AtomicStampedReference类解决ABA问题，用Pair这个内部类实现，包含两个属性，分别代表版本号和引用，在compareAndSet中先对当前引用进行检查，再对版本号标志进行检查，只有全部相等才更新值。

2. 可能会消耗较高的CPU
看起来CAS比锁的效率高，从阻塞机制变成了非阻塞机制，减少了线程之间等待的时间。每个方法不能绝对的比另一个好，在线程之间竞争程度大的时候，如果使用CAS，每次都有很多的线程在竞争，也就是说CAS机制不能更新成功。这种情况下CAS机制会一直重试，这样就会比较耗费CPU。因此可以看出，如果线程之间竞争程度小，使用CAS是一个很好的选择；但是如果竞争很大，使用锁可能是个更好的选择。在并发量非常高的环境中，如果仍然想通过原子类来更新的话，可以使用AtomicLong的替代类：LongAdder。

3. 不能保证代码块的原子性
Java中的CAS机制只能保证共享变量操作的原子性，而不能保证代码块的原子性。

优点

  • 可以保证变量操作的原子性；
  • 并发量不是很高的情况下，使用CAS机制比使用锁机制效率更高；
  • 在线程对共享资源占用时间较短的情况下，使用CAS机制效率也会较高。

Java提供的CAS操作类--Unsafe类

从Java5开始引入了对CAS机制的底层的支持，在这之前需要开发人员编写相关的代码才可以实现CAS。在原子变量类Atomic中（例如AtomicInteger、AtomicLong）可以看到CAS操作的代码，在这里的代码都是调用了底层（核心代码调用native修饰的方法）的实现方法。在AtomicInteger源码中可以看getAndSet方法和compareAndSet方法之间的关系，compareAndSet方法调用了底层的实现，该方法可以实现与一个volatile变量的读取和写入相同的效果。在前面说到了volatile不支持例如i++这样的复合操作，在Atomic中提供了实现该操作的方法。JVM对CAS的支持通过这些原子类（Atomic***）暴露出来，供我们使用。

而Atomic系类的类底层调用的是Unsafe类的API，Unsafe类提供了一系列的compareAndSwap*方法，下面就简单介绍下Unsafe类的API：

  • long objectFieldOffset（Field field）方法：返回指定的变量在所属类中的内存偏移地址，该偏移地址仅仅在该Unsafe函数中访问指定字段时使用。如下代码使用Unsafe类获取变量value在AtomicLong对象中的内存偏移。 
    static {
try {
   valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
       (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
} catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}
  • int arrayBaseOffset（Class arrayClass）方法：获取数组中第一个元素的地址。
  • int arrayIndexScale（Class arrayClass）方法：获取数组中一个元素占用的字节。
  • boolean compareAndSwapLong（Object obj, long offset, long expect, long update）方法：比较对象obj中偏移量为offset的变量的值是否与expect相等，相等则使用update值更新，然后返回true，否则返回false。
  • public native long getLongvolatile（Object obj, long offset）方法：获取对象obj中偏移量为offset的变量对应volatile语义的值。
  • void putLongvolatile（Object obj, long offset, long value）方法：设置obj对象中offset偏移的类型为long的field的值为value，支持volatile语义。
  • void putOrderedLong（Object obj, long offset, long value）方法：设置obj对象中offset偏移地址对应的long型field的值为value。这是一个有延迟的putLongvolatile方法，并且不保证值修改对其他线程立刻可见。只有在变量使用volatile修饰并且预计会被意外修改时才使用该方法。
  • void park（boolean isAbsolute, long time）方法：阻塞当前线程，其中参数isAbsolute等于false且time等于0表示一直阻塞。time大于0表示等待指定的time后阻塞线程会被唤醒，这个time是个相对值，是个增量值，也就是相对当前时间累加time后当前线程就会被唤醒。如果isAbsolute等于true，并且time大于0，则表示阻塞的线程到指定的时间点后会被唤醒，这里time是个绝对时间，是将某个时间点换算为ms后的值。另外，当其他线程调用了当前阻塞线程的interrupt方法而中断了当前线程时，当前线程也会返回，而当其他线程调用了unPark方法并且把当前线程作为参数时当前线程也会返回。
  • void unpark（Object thread）方法：唤醒调用park后阻塞的线程。

下面是JDK8新增的函数，这里只列出Long类型操作。

  • long getAndSetLong（Object obj, long offset, long update）方法：获取对象obj中偏移量为offset的变量volatile语义的当前值，并设置变量volatile语义的值为update。

    //这个方法只是封装了compareAndSwapLong的使用，不需要自己写重试机制
public final long getAndSetLong(Object var1, long var2, long var4) {
long var6;
do {
    var6 = this.getLongVolatile(var1, var2);
} while(!this.compareAndSwapLong(var1, var2, var6, var4));

return var6;
}
  • long getAndAddLong（Object obj, long offset, long addValue）方法：获取对象obj中偏移量为offset的变量volatile语义的当前值，并设置变量值为原始值+addValue，原理和上面的方法类似。

CAS使用场景

  • 使用一个变量统计网站的访问量；
  • Atomic类操作；
  • 数据库乐观锁更新。

本文名称：并发编程的灵魂：CAS机制详解
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