java中的CAS

前言

CAS，Compare and Swap即比较并替换，设计并发算法时经常使用到的一种技术，Doug lea大神在java同步器中大量使用了CAS技术，鬼斧神工的实现了多线程执行的安全性。

目前的处理器基本都支持CAS，只不过不一样的厂家的实现不同罢了。CAS有三个操做数：内存值V、旧的预期值A、要修改的值B，当且仅当预期值A和内存值V相同时，将内存值修改成B并返回true，不然什么都不作并返回false。

实现分析

先看一段代码

public int a = 1;
public boolean compareAndSwapInt(int b) {
    if (a == 1) {
        a = b;
        return true;
    }
    return false;
}

试想这段代码在多线程并发下，会发生什么？咱们不妨来分析一下：

1. 线程A执行到 a==1，正准备执行a = b时，线程B也正在运行a = b，并在线程A以前把a修改成2；最后线程A又把a修改为了3。结果就是两个线程同时修改了变量a，显然这种结果是没法符合预期的，没法肯定a的值。
2. 解决方法也很简单，在compareAndSwapInt方法加锁同步，变成一个原子操做，同一时刻只有一个线程才能修改变量a。

CAS中的比较和替换是一组原子操做，不会被外部打断，先根据paramLong/paramLong1获取到内存当中当前的内存值V，在将内存值V和原值A做比较，要是相等就修改成要修改的值B，属于硬件级别的操做，效率比加锁操做高。

java.util.concurrent.atomic包下的原子操做类都是基于CAS实现的，接下去咱们经过AtomicInteger来看看是如何经过CAS实现原子操做的：

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
    // setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updates
    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;
    public final int get() {return value;}
}

1. Unsafe是CAS的核心类，Java没法直接访问底层操做系统，而是经过本地（native）方法来访问。不过尽管如此，JVM仍是开了一个后门，JDK中有一个类Unsafe，它提供了硬件级别的原子操做。
2. valueOffset表示的是变量值在内存中的偏移地址，由于Unsafe就是根据内存偏移地址获取数据的原值的。
3. value是用volatile修饰的，保证了多线程之间看到的value值是同一份。

接下去，咱们看看AtomicInteger是如何实现并发下的累加操做：

//jdk1.8实现
public final int getAndAdd(int delta) {    
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta);
}

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;
}

在jdk1.8中，比较和替换操做放在unsafe类中实现。

假设如今线程A和线程B同时执行getAndAdd操做：

1. AtomicInteger里面的value原始值为3，即主内存中AtomicInteger的value为3，根据Java内存模型，线程A和线程B各自持有一份value的副本，值为3。
2. 线程A经过getIntVolatile(var1, var2)方法获取到value值3，线程切换，线程A挂起。
3. 线程B经过getIntVolatile(var1, var2)方法获取到value值3，并利用compareAndSwapInt方法比较内存值也为3，比较成功，修改内存值为2，线程切换，线程B挂起。
4. 线程A恢复，利用compareAndSwapInt方法比较，发现手里的值3和内存值2不一致，此时value正在被另一个线程修改，线程A不能修改value值。
5. 线程的compareAndSwapInt实现，循环判断，从新获取value值，由于value是volatile变量，因此线程对它的修改，线程A老是可以看到。线程A继续利用compareAndSwapInt进行比较并替换，直到compareAndSwapInt修改为功返回true。

整个过程当中，利用CAS保证了对于value的修改的线程安全性。

咱们继续深刻看看Unsafe类中的compareAndSwapInt方法。

public final native boolean compareAndSwapInt(Object paramObject, long paramLong, int paramInt1, int paramInt2);

能够看到，这是一个本地方法调用，这个本地方法在openjdk中依次调用c++代码：unsafe.cpp，atomic.cpp，atomic_window_x86.inline.hpp。下面是对应于intel X86处理器的源代码片断。

inline jint Atomic::cmpxchg (jint exchange_value, volatile jint* dest, jint compare_value) {
    int mp = os::isMP(); //判断是不是多处理器
    _asm {
        mov edx, dest
        mov ecx, exchange_value
        mov eax, compare_value
        LOCK_IF_MP(mp)
        cmpxchg dword ptr [edx], ecx
    }
}

从上面的源码中能够看出，会根据当前处理器类型来决定是否为cmpxchg指令添加lock前缀。

1. 若是是多处理器，为cmpxchg指令添加lock前缀。
2. 反之，就省略lock前缀。（单处理器会不须要lock前缀提供的内存屏障效果）

intel手册对lock前缀的说明以下：

1. 确保对内存读改写操做的原子执行。
   在Pentium及以前的处理器中，带有lock前缀的指令在执行期间会锁住总线，使得其它处理器暂时没法经过总线访问内存，很显然，这个开销很大。在新的处理器中，Intel使用缓存锁定来保证指令执行的原子性。缓存锁定将大大下降lock前缀指令的执行开销。
2. 禁止该指令，与前面和后面的读写指令重排序。
3. 把写缓冲区的全部数据刷新到内存中。

上面的第2点和第3点所具备的内存屏障效果，保证了CAS同时具备volatile读和volatile写的内存语义。

CAS缺点

CAS存在一个很明显的问题，即ABA问题。
若是变量V初次读取的时候是A，而且在准备赋值的时候检查到它仍然是A，那能说明它的值没有被其余线程修改过了吗？若是在这段期间它的值曾经被改为了B，而后又改回A，那CAS操做就会误认为它历来没有被修改过。针对这种状况，java并发包中提供了一个带有标记的原子引用类"AtomicStampedReference"，它能够经过控制变量值的版原本保证CAS的正确性。

做者：占小狼 连接：http://www.jianshu.com/p/fb6e91b013cc 來源：简书 著做权归做者全部。商业转载请联系做者得到受权，非商业转载请注明出处。