java中的CAS和原子类的实现（JDK1.8）

作者: jijs | 来源:发表于2017-04-26 21:21 被阅读2700次

什么是CAS

CAS的全称为Compare-And-Swap，直译就是对比交换。是一条CPU的原子指令，其作用是让CPU先进行比较两个值是否相等，然后原子地更新某个位置的值，经过调查发现，其实现方式是基于硬件平台的汇编指令，就是说CAS是靠硬件实现的，JVM只是封装了汇编调用，那些AtomicInteger类便是使用了这些封装后的接口。
简单解释：CAS操作需要输入两个数值，一个旧值（期望操作前的值）和一个新值，在操作期间先比较下在旧值有没有发生变化，如果没有发生变化，才交换成新值，发生了变化则不交换。
CAS操作是原子性的，所以多线程并发使用CAS更新数据时，可以不使用锁。JDK中大量使用了CAS来更新数据而防止加锁（synchronized 重量级锁）来保持原子更新。
相信sql大家都熟悉，类似sql中的条件更新一样：update set id=3 from table where id=2。因为单条sql执行具有原子性，如果有多个线程同时执行此sql语句，只有一条能更新成功。

如果不使用CAS，在高并发下，多线程同时修改一个变量的值我们需要synchronized加锁（可能有人说可以用Lock加锁，Lock底层的AQS也是基于CAS进行获取锁的）。

public class Test {
    private int i=0;
    public synchronized int add(){
        return i++;
    }
}

java中为我们提供了AtomicInteger 原子类（底层基于CAS进行更新数据的），不需要加锁就在多线程并发场景下实现数据的一致性。

public class Test {
    private  AtomicInteger i = new AtomicInteger(0);
    public int add(){
        return i.addAndGet(1);
    }
}

java.util.concurrent包都中的实现类都是基于volatile和CAS来实现的。尤其java.util.concurrent.atomic包下的原子类。

简单介绍下volatile特性：

内存可见性（当一个线程修改volatile变量的值时，另一个线程就可以实时看到此变量的更新值）
禁止指令重排（volatile变量之前的变量执行先于volatile变量执行，volatile之后的变量执行在volatile变量之后）

AtomicInteger 源码解析

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
    private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
    private static final long valueOffset;
    static {
        try {
            //用于获取value字段相对当前对象的“起始地址”的偏移量
            valueOffset = unsafe.objectFieldOffset(AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
        } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
    }

    private volatile int value;

    //返回当前值
    public final int get() {
        return value;
    }

    //递增加detla
    public final int getAndAdd(int delta) {
        //三个参数，1、当前的实例 2、value实例变量的偏移量 3、当前value要加上的数（value+delta）。
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta);
    }

    //递增加1
    public final int incrementAndGet() {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
    }
...
}

我们可以看到 AtomicInteger 底层用的是volatile的变量和CAS来进行更改数据的。
volatile保证线程的可见性，多线程并发时，一个线程修改数据，可以保证其它线程立马看到修改后的值
CAS 保证数据更新的原子性。

Unsafe源码解析

下面分析下Unsafe 类中的实现。代码反编译出来的。

public final int getAndAddInt(Object paramObject, long paramLong, int paramInt)
  {
    int i;
    do
      i = getIntVolatile(paramObject, paramLong);
    while (!compareAndSwapInt(paramObject, paramLong, i, i + paramInt));
    return i;
  }

  public final long getAndAddLong(Object paramObject, long paramLong1, long paramLong2)
  {
    long l;
    do
      l = getLongVolatile(paramObject, paramLong1);
    while (!compareAndSwapLong(paramObject, paramLong1, l, l + paramLong2));
    return l;
  }

  public final int getAndSetInt(Object paramObject, long paramLong, int paramInt)
  {
    int i;
    do
      i = getIntVolatile(paramObject, paramLong);
    while (!compareAndSwapInt(paramObject, paramLong, i, paramInt));
    return i;
  }

  public final long getAndSetLong(Object paramObject, long paramLong1, long paramLong2)
  {
    long l;
    do
      l = getLongVolatile(paramObject, paramLong1);
    while (!compareAndSwapLong(paramObject, paramLong1, l, paramLong2));
    return l;
  }

  public final Object getAndSetObject(Object paramObject1, long paramLong, Object paramObject2)
  {
    Object localObject;
    do
      localObject = getObjectVolatile(paramObject1, paramLong);
    while (!compareAndSwapObject(paramObject1, paramLong, localObject, paramObject2));
    return localObject;
  }

从源码中发现，内部使用自旋的方式进行CAS更新（while循环进行CAS更新，如果更新失败，则循环再次重试）。

又从Unsafe类中发现，原子操作其实只支持下面三个方法。

  public final native boolean compareAndSwapObject(Object paramObject1, long paramLong, Object paramObject2, Object paramObject3);

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

  public final native boolean compareAndSwapLong(Object paramObject, long paramLong1, long paramLong2, long paramLong3);

我们发现Unsafe只提供了3种CAS方法：compareAndSwapObject、compareAndSwapInt和compareAndSwapLong。都是native方法。

AtomicBoolean 源码解析

public class AtomicBoolean implements java.io.Serializable {
    private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
    private static final long valueOffset;

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

    private volatile int value;

    public AtomicBoolean(boolean initialValue) {
        value = initialValue ? 1 : 0;
    }
    public final boolean compareAndSet(boolean expect, boolean update) {
        int e = expect ? 1 : 0;
        int u = update ? 1 : 0;
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, e, u);
    }
    ...
}

从AtomicBoolean源码，发现他底层也是使用volatile类型的int 变量，跟AtomicInteger 实现方式一样，只不过是把Boolean转换成 0和1进行操作。

所以原子更新char、float和double变量也可以转换成int 或long来实现CAS的操作。

CAS缺点

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。
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。

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