死磕Java——CAS

1、死磕Java——CAS

前面咱们说到volatile不保证原子性，解决办法就是使用AtomicInteger代替int，可是为何使用AtomicInteger就能够保证了原子性了，是由于AtomicInteger实现的就是CAS思想和Unsafe的支持。

1.1.CAS是什么

AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(5);
atomicInteger.compareAndSet(5, 10);
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CAS：即比较和交换（compareAndSet）,CAS的思想比较简单就是三个值：当前内存值V，旧的预期值A，和要更新的值B，当且仅当内存值V等于预期值A，才将内存值修改成B，并返回true，不然什么都不作，返回false。下面就以atomicInteger.getAndIncrement();分析一下AtomicInteger使用的CAS思想。

1.2.CAS的原理

使用AtomicInteger

public static void main(String[] args) {
    AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(5);
    atomicInteger.compareAndSet(5, 10);
    atomicInteger.getAndIncrement();
}
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compareAndSet方法

public final int getAndIncrement() {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
}
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unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1)说明：

• this：表明当前对象，这里就是外部new的atomicInteger对象；
• valueOffset：表明当前对象的内存地址。
• 1：就是加1。

private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
private static final long valueOffset;

static {
    try {
        valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
            (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
    } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}

private volatile int value;
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说明：

上述代码就是根据对象的内存地址获取当前内存的值，注意的是private volatile int value;添加了volatile关键字，因此，保证了可见性。

unsafe.getAndAddInt方法

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;
}
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说明：

• unsafe类是CAS的核心类，因为Java没法直接操做底层系统，只能经过native修饰的本地方法操做，基于unsafe类就能够直接操做内存中的数据。
• getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4)中：Object var1：当前对象，long var2：当前对象的内存地址，int var4：须要更新的值，这里就是1。
• var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);：就是取到当前对象的内存值；
• 假如如今存在两个线程，跑在不一样的cpu上，内存中atomicInteger的原始值为5，两个线程都拷贝一份到本身的工做内存中，
• 线程A经过getIntVolatile(var1, var2)拿到value值5，这时线程A被挂起。
• 线程B也经过getIntVolatile(var1, var2)方法获取到value值5，线程B没有被挂起，并执行compareAndSwapInt方法比较内存值也为5，成功修改内存值为10。
• 这时线程A恢复，执行compareAndSwapInt方法比较，发现本身手里的值(5)和内存的值(10)不一致，说明该值已经被其它线程提早修改过了，那只能从新来一遍了。
• 从新获取value值，由于变量value被volatile修饰，因此其它线程对它的修改，线程A老是可以看到，线程A继续执行compareAndSwapInt进行比较替换，直到成功。

1.3.CAS的缺点

前面的代码分析中咱们知道getAndAddInt方法有一个do-while循环，若是CAS失败，就会进行一直尝试比较，若是很长时间都不成功，就会增长CPU的开销。因此CAS的一个缺点就是循环时间长开销大，因为this表示的是当前对象，因此，存在另一个缺点就是只能保证一个共享变量的原子操做。最重要的缺点就是ABA问题。

1.3.1.什么是ABA问题

前面分析CAS思想的时候，咱们知道一个线程会先获取Value的值，比较和交换的时候再获取内存的值和手里的value进行比较，说的是若是一致就表示没有被其余线程修改过，而后就执行本身的交换操做，可是，若是，一个线程修改了，而后另外还有一个线程又修改会原来的值，这个时候一比较仍是同样的，这就是ABA问题。简单讲就是狸猫换太子。若是业务中不关心中间操做，只在意开始和结尾是否一致就可，就没必要要解决ABA 问题。

1.3.2.使用原子引用和版本机制解决ABA问题

在java.util.concurrent.atomic包下存在一个AtomicReference类，就是原子引用，CAS比较的只是内存中的值，如今增长一个版本号，比较值的同时再比较版本后是否一致。使用AtomicStampedReference带时间戳的原子引用来解决ABA问题。

public static void main(String[] args) {
        AtomicStampedReference<Integer> reference = new AtomicStampedReference<>(10, 1);

        new Thread(() -> {
            int stamp = reference.getStamp();
            System.out.println("T1拿到的第一次的版本号：" + stamp);
            // 先暂停1秒，等T2线程拿到相同的初始版本号
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            reference.compareAndSet(10, 101, reference.getStamp(), reference.getStamp() + 1);
            System.out.println("T1线程第一次操做后的版本号为："  + reference.getStamp());
            reference.compareAndSet(101, 10, reference.getStamp(), reference.getStamp() + 1);
            System.out.println("T1线程第二次操做后的版本号为："  + reference.getStamp());
        }, "T1").start();

        new Thread(() -> {
            int stamp = reference.getStamp();
            System.out.println("T2拿到的第一次的版本号：" + stamp);
            // 先暂停3秒，等T1线程有充分的时候作一次ABA操做
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            boolean b = reference.compareAndSet(10, 2019, stamp, stamp + 1);
            System.out.println("当前内存中的最新值为：" + reference.getReference());
            System.out.println("T2线程在T1线程执行完ABA问题后在执行的结果为：" + b);
        }, "T2").start();

    }
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