Java原子操作CAS原理解析

一、CAS（Compare And Set）

Compare And Set（或Compare And Swap），CAS是解決多線程并行情況下使用鎖造成性能損耗的一種機制，CAS操作包含三個操作數(shù)——內存位置（V）、預期原值（A）、新值(B)。如果內存位置的值與預期原值相匹配，那么處理器會自動將該位置值更新為新值。否則，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。CAS有效地說明了“我認為位置V應該包含值A；如果包含該值，則將B放到這個位置；否則，不要更改該位置，只告訴我這個位置現(xiàn)在的值即可。

​ 在java中可以通過鎖和循環(huán)CAS的方式來實現(xiàn)原子操作。Java中 java.util.concurrent.atomic包相關類就是 CAS的實現(xiàn)，atomic包里包括以下類：

二、AtomicInteger

AtomicInteger可以用原子方式更新的 int 值。AtomicInteger 可用在應用程序中（如以原子方式增加的計數(shù)器），并且不能用于替換 Integer。但是，此類確實擴展了 Number，允許那些處理基于數(shù)字類的工具和實用工具進行統(tǒng)一訪問。 我們拿 AtomicInteger為例來學習下 CAS操作是如何實現(xiàn)的。

通常情況下，在 Java中，i++等類似操作并不是線程安全的，因為 i++可分為三個獨立的操作：獲取變量當前值，為該值+1，然后寫回新的值。在沒有額外資源可以利用的情況下，只能使用加鎖才能保證讀-改-寫這三個操作時“原子性”的。但是利用加鎖的方式來實現(xiàn)該功能的話，代碼將非常復雜及難以維護，如：

synchronized (lock) { 
  i++; 
} 

相關類中還需要增加 Object lock等額外標志，這樣就帶來了很多麻煩，增加了很多業(yè)務無關代碼，給開發(fā)與維護帶來了不便。
​ 然而利用 atomic包中相關類型就可以很簡單實現(xiàn)此操作，以下是一個計數(shù)程序實例：

public class Counter {
  private AtomicInteger ai = new AtomicInteger();
  private int i = 0;
 
  public static void main(String[] args) { 
    final Counter cas = new Counter(); 
    List<Thread> threads = new ArrayList<Thread>();
    // 添加100個線程 
    for (int j = 0; j < 100; j++) { 
      threads.add(new Thread(new Runnable() {
        public void run() { 
          // 執(zhí)行100次計算，預期結果應該是10000 
          for (int i = 0; i < 100; i++) { 
            cas.count(); 
            cas.safeCount(); 
          } 
        } 
      })); 
    } 
    //開始執(zhí)行 
    for (Thread t : threads) {
      t.start(); 
    } 
    // 等待所有線程執(zhí)行完成 
    for (Thread t : threads) {
      try { 
        t.join(); 
      } catch (InterruptedException e) { 
        e.printStackTrace(); 
      } 
    } 
    System.out.println("非線程安全計數(shù)結果："+cas.i); 
    System.out.println("線程安全計數(shù)結果："+cas.ai.get()); 
  } 
 
  /** 使用CAS實現(xiàn)線程安全計數(shù)器 */ 
  private void safeCount() { 
    for (;;) { 
      int i = ai.get(); 
      // 如果當前值 == 預期值，則以原子方式將該值設置為給定的更新值 
      boolean suc = ai.compareAndSet(i, ++i); 
      if (suc) { 
        break; 
      } 
    } 
  } 
  /** 非線程安全計數(shù)器 */ 
  private void count() { 
    i++; 
  } 
} 
/**
非線程安全計數(shù)結果：9942
線程安全計數(shù)結果：10000
*/

其中非線程安全計數(shù)器所計算的結果每次都不相同且不正確，而線程安全計數(shù)器計算的結果每次都是正確的。

三、存在的問題

CAS雖然很高效的解決原子操作，但是CAS仍然存在三大問題：ABA問題、循環(huán)時間長開銷大、只能保證一個共享變量的原子操作。

ABA問題：因為CAS需要在操作值的時候檢查下值有沒有發(fā)生變化，如果沒有發(fā)生變化則更新，但是如果一個值原來是A，變成了B，又變成了A，那么使用CAS進行檢查時會發(fā)現(xiàn)它的值沒有發(fā)生變化，但是實際上卻變化了。ABA問題的解決思路就是使用版本號。在變量前面追加上版本號，每次變量更新的時候把版本號加一，那么A－B－A 就會變成1A-2B－3A。 從Java1.5開始JDK的 atomic包里提供了一個類AtomicStampedReference 來解決ABA問題。這個類的 compareAndSet方法作用是首先檢查當前引用是否等于預期引用，并且當前標志是否等于預期標志，如果全部相等，則以原子方式將該引用和該標志的值設置為給定的更新值。

循環(huán)時間長開銷大：自旋CAS如果長時間不成功，會給CPU帶來非常大的執(zhí)行開銷。如果JVM能支持處理器提供的pause指令那么效率會有一定的提升，pause指令有兩個作用，第一它可以延遲流水線執(zhí)行指令（de-pipeline）,使CPU不會消耗過多的執(zhí)行資源，延遲的時間取決于具體實現(xiàn)的版本，在一些處理器上延遲時間是零。第二它可以避免在退出循環(huán)的時候因內存順序沖突（memory order violation）而引起CPU流水線被清空（CPU pipeline flush），從而提高CPU的執(zhí)行效率?！?/p>

只能保證一個共享變量的原子操作：當對一個共享變量執(zhí)行操作時，我們可以使用循環(huán)CAS的方式來保證原子操作，但是對多個共享變量操作時，循環(huán)CAS就無法保證操作的原子性，這個時候就可以用鎖，或者有一個取巧的辦法，就是把多個共享變量合并成一個共享變量來操作。比如有兩個共享變量i＝2,j=a，合并一下ij=2a，然后用CAS來操作ij。從Java1.5開始JDK提供了AtomicReference類來保證引用對象之間的原子性，你可以把多個變量放在一個對象里來進行CAS操作。

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