CAS机制及AtomicInteger源码分析

1、CAS简介

CAS即Compare And Swap对比交换，区别于悲观锁，借助CAS能够实现区别于synchronized独占锁的一种乐观锁，被普遍应用在各大编程语言之中。Java JUC底层大量使用了CAS，能够说java.util.concurrent彻底是创建在CAS之上的。可是CAS也有相应的缺点，诸如ABA、cpu使用率高等问题没法避免。

CAS总共有3个操做数，当前内存值V，旧的预期值A，要修改的新值N。当且仅当A和V相同时，将V修改成N，不然什么都不作。

2、CAS源码分析

咱们都知道，java提供了一些列并发安全的原子操做类，如AtomicInteger、AtomicLong.下面咱们拿AtomicInteger为例分析其源码实现。

// 一、获取UnSafe实例对象，用于对内存进行相关操做
private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
// 二、内存偏移量
private static final long valueOffset;

static {
    try {
        // 三、初始化地址偏移量
        valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
            (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
    } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}

// 四、具体值，使用volatile保证可见性
private volatile int value;
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从上面代码中咱们能够看出，AtomicInteger中依赖于一个叫Unsafe的实例对象，咱们都知道，java语言屏蔽了像C++那样直接操做内存的操做，程序员不需手动管理内存，但话说回来，java仍是开放了一个叫Unsafe的类直接对内存进行操做，由其名字能够看出，使用Unsafe中的操做是不安全的，要当心谨慎。

valueOffset是对象的内存偏移地址，经过Unsafe对象进行初始化，有一点须要注意的是，对于给定的某个字段都会有相同的偏移量，同一类中的两个不一样字段永远不会有相同的偏移量。也就是说，只要对象不死，这个偏移量就永远不会变，能够想象，CAS所依赖的第一个参数（内存地址值）正是经过这个地址偏移量进行获取的。

value属于共享资源，借助volatile保证内存可见性，关于volatile的简单分析，能够参考

Java 反汇编、反编译、volitale解读

// 一、获取并增长delta
public final int getAndAdd(int delta) {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta);
}
// 二、加一
public final int incrementAndGet() {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
}
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上面两个方法依赖下面Unsafe类中的getAndAddInt操做，借助openjdk提供的Unsafe源码，咱们看下其实现:

public final int getAndAddInt(Object o, long offset, int delta) {
    int v;
    // 一、不断的循环比较，直到CAS操做成功返回
    do {
        v = getIntVolatile(o, offset);
    } while (!compareAndSwapInt(o, offset, v, v + delta));
    return v;
}
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从上面能够看出，本质上CAS使用了自旋锁进行自旋，直到CAS操做成功，若是很长一段时间都没有操做成功，那么将一直自旋下去。

3、CAS的缺点

从第1、二节能够看出，CAS在java中的实现本质上是使用Unsafe类提供的方法获取对象的内存地址偏移量，进而经过自旋实现的。CAS的优势很明显，那就是区别于悲观策略，乐观策略在高并发下性能表现更好，固然CAS也是有缺点的，主要有相似ABA、自旋时间过长、只能保证一个共享变量原子操做三大问题，下面咱们一一分析。

一、ABA

什么是ABA呢？简单的说，就是有两个线程，线程A和线程B，对于同一个变量X=0，A准备将X置为10，按照CAS的步骤，首先会从内存读取值旧的预期值0，而后比较，最后置为10，但就在A读取完X=0后，还没来得及比较和赋值，此时线程B完成了X=0 -> X=10 -> X=0这3个操做，随后A继续执行比较，发现此时内存的值依旧是0，最后CAS执行成功。虽然过程和结果没有问题，可是A比较时的0已经不是最初那个0了，有种被偷梁换柱的感受。

下面代码举例演示ABA问题，线程1模拟将变量从100->110->100,线程2执行100->120,最后看下输出：

import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicStampedReference;

/**
 * 
 * @Author jiawei huang
 * @Since 2020年1月17日
 * @Version 1.0
 */
public class ABATest {
    // 初始值为100
    private static AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(100);
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    
    	// AtomicInteger实现 100->110->100
    	Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
    		@Override
    		public void run() {
    			atomicInteger.compareAndSet(100, 110);
    			atomicInteger.compareAndSet(110, 100);
    		}
    	});
    
    	// 实现 100->120
    	Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
    		@Override
    		public void run() {
    			try {
    				// 这里模拟线程1执行完毕，偷梁换柱成功
    				TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
    			} catch (InterruptedException e) {
    				e.printStackTrace();
    			}
    			// 下面依旧返回true
    			System.out.println("AtomicInteger:" + atomicInteger.compareAndSet(100, 120));
    		}
    	});
    
    	t1.start();
    	t2.start();
	}
}
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输出结果为：

AtomicInteger:true
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可见线程2中的CAS也执行成功了，那么如何解决这个问题呢？解决方案是经过版本号，Java提供了AtomicStampedReference来解决。AtomicStampedReference经过包装[E,Integer]的元组来对对象标记版本戳stamp，从而避免ABA问题。

/*
 * Copyright (C) 2011-2019 DL 
 * 
 * All right reserved.
 * 
 * This software is the confidential and proprietary information of DL of China.
 * ("Confidential Information"). You shall not disclose such Confidential 
 * Information and shall use it only in accordance with the argeements 
 * reached into with DL himself.
 *
 */
package com.algorithm.leetcode.linkedlist;

import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicStampedReference;

/**
 * 
 * @Author jiawei huang
 * @Since 2020年1月17日
 * @Version 1.0
 */
public class ABATest {
    // 初始值100，版本号1
    private static AtomicStampedReference<Integer> atomicStampedReference = new AtomicStampedReference<Integer>(100, 1);
    
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    // AtomicStampedReference实现
    Thread tsf1 = new Thread(new Runnable() {
    	@Override
    	public void run() {
    		try {
    			// 让 tsf2先获取stamp，致使预期时间戳不一致
    			TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
    		} catch (InterruptedException e) {
    			e.printStackTrace();
    		}
    		// 预期引用：100，更新后的引用：110，预期标识getStamp() 更新后的标识getStamp() + 1
    		atomicStampedReference.compareAndSet(100, 110, atomicStampedReference.getStamp(),
    				atomicStampedReference.getStamp() + 1);
    		atomicStampedReference.compareAndSet(110, 100, atomicStampedReference.getStamp(),
    				atomicStampedReference.getStamp() + 1);
    	}
    });
    
    Thread tsf2 = new Thread(new Runnable() {
    	@Override
    	public void run() {
        	int stamp = atomicStampedReference.getStamp();
        
        	try {
        		TimeUnit.SECONDS.sleep(2); // 线程tsf1执行完
        	} catch (InterruptedException e) {
        		e.printStackTrace();
        	}
        	System.out.println(
        			"AtomicStampedReference:" + atomicStampedReference.compareAndSet(100, 120, stamp, stamp + 1));
    	}
    });
    
    tsf1.start();
    tsf2.start();
	}
}
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输出结果：

AtomicStampedReference:false
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能够看出线程1执行失败了。

二、自旋时间过长

经过第二节分析能够得知，CAS本质上是经过自旋来判断是否更新的，那么问题来了，若是屡次旧预期值不等于内存值的状况，那么这个自旋将会自旋下去，而自旋太久将会致使CPU利用率变高。

三、只能保证一个共享变量原子操做

从第二节能够看出，只是单纯对单个共享对象进行CAS操做，保证了其更新获取的原子性，没法对多个共享变量同时进行原子操做。这是CAS的局限所在，但JDK提供同时了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性，能够把多个变量放在一个对象里来进行CAS操做。