并发编程系列-CAS

锁（lock）的代价

锁是用来做并发最简单的方式，其代价也是最高的，Java在JDK1.5之前都是靠synchronized关键字来加锁。但是加锁机制会有如下几个问题：

• 加锁、释放锁会需要操作系统进行上下文切换和调度延时，在上下文切换的时候，cpu之前缓存的指令和数据都将失效，这个过程将增加系统开销。

• 多个线程同时竞争锁，锁竞争机制本身需要消耗系统资源。没有获取到锁的线程会被挂起直至获取锁，在线程被挂起和恢复执行的过程中也存在很大开销。

• 等待锁的线程会阻塞，影响实际的使用体验。如果被阻塞的线程优先级高，而持有锁的线程优先级低，将会导致优先级反转(Priority Inversion)。

乐观锁与悲观锁

悲观锁：是认为别的线程会修改值。 独占锁是一种悲观锁，synchronized就是一种独占锁。synchronized加锁后就能够确保程序执行时不会被其它线程干扰，得到正确的结果。

乐观锁：本质上是乐观的，认为别的线程不会去修改值。如果发现值被修改了，可以再次重试。CAS机制（Compare And Swap）就是一种乐观锁。

Compare And Swap

CAS是一种有名的无锁（lock-free）算法。也是一种现代 CPU 广泛支持的CPU指令级的操作，只有一步原子操作，所以非常快。而且CAS避免了请求操作系统来裁定锁的问题，不用麻烦操作系统，直接在CPU内部就搞定了。

CAS有三个操作参数：

1. 内存位置V（它的值是我们想要去更新的）

2. 预期原值A（上一次从内存中读取的值）

3. 新值B（应该写入的新值）

CAS的操作过程：将内存位置V的值与A比较（compare），如果相等，则说明没有其它线程来修改过这个值，所以把内存V的的值更新成B（swap），如果不相等，说明V上的值被修改过了，不更新，而是返回当前V的值，再重新执行一次任务再继续这个过程。

所以，当多个线程尝试使用CAS同时更新同一个变量时，其中一个线程会成功更新变量的值，剩下的会失败。失败的线程可以重试或者什么也不做。

简单来说，CAS 的含义是“我认为原有的值应该是什么，如果是，则将原有的值更新为新值，否则不做修改，并告诉我这个值现在是多少”。（这段描述引自《Java并发编程实践》）

JVM对CAS的支持

在JDK1.5之前，如果不编写明确的代码就无法执行CAS操作，在JDK1.5中引入了底层的支持，在int、long和对象的引用等类型上都公开了CAS的操作，并且JVM把它们编译为底层硬件提供的最有效的方法，在运行CAS的平台上，运行时把它们编译为相应的机器指令，如果处理器/CPU不支持CAS指令，那么JVM将使用自旋锁。

在原子类变量中，如java.util.concurrent.atomic包下的AtomicXXX，都使用了这些底层的JVM支持为数字类型的引用类型提供一种高效的CAS操作，而在java.util.concurrent中的大多数类在实现时都直接或间接的使用了这些原子变量类。

java.util.concurrent.atomic.AtomicLong源码中的自增getAndIncrement()方法：

    //+1操作
    public final long getAndIncrement() {
        while (true) {
            long current = get();
            long next = current + 1;
            //当+1操作成功的时候直接返回，退出此循环
            if (compareAndSet(current, next))
                return current;
        }
    }


    //调用JNI实现CAS
    public final boolean compareAndSet(long expect, long update) {
        return unsafe.compareAndSwapLong(this, valueOffset, expect, update);
    }
1

JNI:Java Native Interface为JAVA本地调用，允许java调用其他语言。在jdk1.8后getAndIncrement()方法已经看不到具体代码了，而是封装在unsafe类里面。

CAS优缺点

缺点

CAS虽然很高效的解决原子操作，但是CAS仍然存在三大问题。ABA问题，循环时间长开销大和只能保证一个共享变量的原子操作。

1. ABA问题。

   因为CAS需要在操作值的时候检查下值有没有发生变化，如果没有发生变化则更新，但是如果一个值原来是A，变成了B，又变成了A，那么使用CAS进行检查时会发现它的值没有发生变化，但是实际上却变化了。ABA问题的解决思路就是使用版本号。在变量前面追加上版本号，每次变量更新的时候把版本号加一，那么A－B－A 就会变成1A-2B－3A。

   从Java1.5开始JDK的atomic包里提供了一个类AtomicStampedReference来解决ABA问题。这个类的compareAndSet方法作用是首先检查当前引用是否等于预期引用，并且当前标志是否等于预期标志，如果全部相等，则以原子方式将该引用和该标志的值设置为给定的更新值。

2. 循环时间长开销大。

   自旋CAS如果长时间不成功，会给CPU带来非常大的执行开销。如果JVM能支持处理器提供的pause指令那么效率会有一定的提升，pause指令有两个作用，第一它可以延迟流水线执行指令（de-pipeline）,使CPU不会消耗过多的执行资源，延迟的时间取决于具体实现的版本，在一些处理器上延迟时间是零。第二它可以避免在退出循环的时候因内存顺序冲突（memory order violation）而引起CPU流水线被清空（CPU pipeline flush），从而提高CPU的执行效率。

3. 只能保证一个共享变量的原子操作。当对一个共享变量执行操作时，我们可以使用循环CAS的方式来保证原子操作，但是对多个共享变量操作时，循环CAS就无法保证操作的原子性，这个时候就可以用锁，或者有一个取巧的办法，就是把多个共享变量合并成一个共享变量来操作。比如有两个共享变量i＝2,j=a，合并一下ij=2a，然后用CAS来操作ij。从Java1.5开始JDK提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性，你可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作。

4. 比较花费CPU资源，即使没有任何争用也会做一些无用功。

5. 会增加程序测试的复杂度，稍不注意就会出现问题。

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); }
}
1

• 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;
}
1

• 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。

总结

可以用CAS在无锁的情况下实现原子操作，但要明确应用场合，非常简单的操作且又不想引入锁可以考虑使用CAS操作，当想要非阻塞地完成某一操作也可以考虑CAS。不推荐在复杂操作中引入CAS，会使程序可读性变差，且难以测试，同时会出现ABA问题。

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