（一）CAS操作

在JDK 5之前Java語(yǔ)言是靠synchronized關(guān)鍵字保證同步的，這會(huì)導(dǎo)致有鎖

鎖機(jī)制存在以下問(wèn)題：

（1）在多線程競(jìng)爭(zhēng)下，加鎖、釋放鎖會(huì)導(dǎo)致比較多的上下文切換和調(diào)度延時(shí)，引起性能問(wèn)題。

（2）一個(gè)線程持有鎖會(huì)導(dǎo)致其它所有需要此鎖的線程掛起。

（3）如果一個(gè)優(yōu)先級(jí)高的線程等待一個(gè)優(yōu)先級(jí)低的線程釋放鎖會(huì)導(dǎo)致優(yōu)先級(jí)倒置，引起性能風(fēng)險(xiǎn)。

volatile是不錯(cuò)的機(jī)制，但是volatile不能保證原子性。因此對(duì)于同步最終還是要回到鎖機(jī)制上來(lái)。

獨(dú)占鎖是一種悲觀鎖，synchronized就是一種獨(dú)占鎖，會(huì)導(dǎo)致其它所有需要鎖的線程掛起，等待持有鎖的線程釋放鎖。而另一個(gè)更加有效的鎖就是樂(lè)觀鎖。所謂樂(lè)觀鎖就是，每次不加鎖而是假設(shè)沒(méi)有沖突而去完成某項(xiàng)操作，如果因?yàn)闆_突失敗就重試，直到成功為止。樂(lè)觀鎖用到的機(jī)制就是CAS，Compare and Swap。

一、什么是CAS

CAS,compare and swap的縮寫(xiě)，中文翻譯成比較并交換。

我們都知道，在java語(yǔ)言之前，并發(fā)就已經(jīng)廣泛存在并在服務(wù)器領(lǐng)域得到了大量的應(yīng)用。所以硬件廠商老早就在芯片中加入了大量直至并發(fā)操作的原語(yǔ)，從而在硬件層面提升效率。在intel的CPU中，使用cmpxchg指令。

在Java發(fā)展初期，java語(yǔ)言是不能夠利用硬件提供的這些便利來(lái)提升系統(tǒng)的性能的。而隨著java不斷的發(fā)展,Java本地方法(JNI)的出現(xiàn)，使得java程序越過(guò)JVM直接調(diào)用本地方法提供了一種便捷的方式，因而java在并發(fā)的手段上也多了起來(lái)。而在Doug Lea提供的cucurenct包中，CAS理論是它實(shí)現(xiàn)整個(gè)java包的基石。

CAS 操作包含三個(gè)操作數(shù) —— 內(nèi)存位置（V）、預(yù)期原值（A）和新值(B)。 如果內(nèi)存位置的值與預(yù)期原值相匹配，那么處理器會(huì)自動(dòng)將該位置值更新為新值 。否則，處理器不做任何操作。無(wú)論哪種情況，它都會(huì)在 CAS 指令之前返回該 位置的值。（在 CAS 的一些特殊情況下將僅返回 CAS 是否成功，而不提取當(dāng)前 值。）CAS 有效地說(shuō)明了“我認(rèn)為位置 V 應(yīng)該包含值 A；如果包含該值，則將 B 放到這個(gè)位置；否則，不要更改該位置，只告訴我這個(gè)位置現(xiàn)在的值即可。”

通常將 CAS 用于同步的方式是從地址 V 讀取值 A，執(zhí)行多步計(jì)算來(lái)獲得新 值 B，然后使用 CAS 將 V 的值從 A 改為 B。如果 V 處的值尚未同時(shí)更改，則 CAS 操作成功。

類似于 CAS 的指令允許算法執(zhí)行讀-修改-寫(xiě)操作，而無(wú)需害怕其他線程同時(shí) 修改變量，因?yàn)槿绻渌€程修改變量，那么 CAS 會(huì)檢測(cè)它（并失敗），算法 可以對(duì)該操作重新計(jì)算。

二、CAS的目的

利用CPU的CAS指令，同時(shí)借助JNI來(lái)完成Java的非阻塞算法。其它原子操作都是利用類似的特性完成的。而整個(gè)J.U.C都是建立在CAS之上的，因此對(duì)于synchronized阻塞算法，J.U.C在性能上有了很大的提升。

三、CAS存在的問(wèn)題

CAS雖然很高效的解決原子操作，但是CAS仍然存在三大問(wèn)題。ABA問(wèn)題，循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)開(kāi)銷大和只能保證一個(gè)共享變量的原子操作

1. ?ABA問(wèn)題。因?yàn)镃AS需要在操作值的時(shí)候檢查下值有沒(méi)有發(fā)生變化，如果沒(méi)有發(fā)生變化則更新，但是如果一個(gè)值原來(lái)是A，變成了B，又變成了A，那么使用CAS進(jìn)行檢查時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)它的值沒(méi)有發(fā)生變化，但是實(shí)際上卻變化了。ABA問(wèn)題的解決思路就是使用版本號(hào)。在變量前面追加上版本號(hào)，每次變量更新的時(shí)候把版本號(hào)加一，那么A－B－A 就會(huì)變成1A-2B－3A。

從Java1.5開(kāi)始JDK的atomic包里提供了一個(gè)類AtomicStampedReference來(lái)解決ABA問(wèn)題。這個(gè)類的compareAndSet方法作用是首先檢查當(dāng)前引用是否等于預(yù)期引用，并且當(dāng)前標(biāo)志是否等于預(yù)期標(biāo)志，如果全部相等，則以原子方式將該引用和該標(biāo)志的值設(shè)置為給定的更新值。

關(guān)于ABA問(wèn)題參考文檔:?http://blog.hesey.net/2011/09/resolve-aba-by-atomicstampedreference.html

2. 循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)開(kāi)銷大。自旋CAS如果長(zhǎng)時(shí)間不成功，會(huì)給CPU帶來(lái)非常大的執(zhí)行開(kāi)銷。如果JVM能支持處理器提供的pause指令那么效率會(huì)有一定的提升，pause指令有兩個(gè)作用，第一它可以延遲流水線執(zhí)行指令（de-pipeline）,使CPU不會(huì)消耗過(guò)多的執(zhí)行資源，延遲的時(shí)間取決于具體實(shí)現(xiàn)的版本，在一些處理器上延遲時(shí)間是零。第二它可以避免在退出循環(huán)的時(shí)候因內(nèi)存順序沖突（memory order violation）而引起CPU流水線被清空（CPU pipeline flush），從而提高CPU的執(zhí)行效率。

?

3. 只能保證一個(gè)共享變量的原子操作。當(dāng)對(duì)一個(gè)共享變量執(zhí)行操作時(shí)，我們可以使用循環(huán)CAS的方式來(lái)保證原子操作，但是對(duì)多個(gè)共享變量操作時(shí)，循環(huán)CAS就無(wú)法保證操作的原子性，這個(gè)時(shí)候就可以用鎖，或者有一個(gè)取巧的辦法，就是把多個(gè)共享變量合并成一個(gè)共享變量來(lái)操作。比如有兩個(gè)共享變量i＝2,j=a，合并一下ij=2a，然后用CAS來(lái)操作ij。從Java1.5開(kāi)始JDK提供了AtomicReference類來(lái)保證引用對(duì)象之間的原子性，你可以把多個(gè)變量放在一個(gè)對(duì)象里來(lái)進(jìn)行CAS操作。

四、 concurrent包的實(shí)現(xiàn)

由于java的CAS同時(shí)具有 volatile 讀和volatile寫(xiě)的內(nèi)存語(yǔ)義，因此Java線程之間的通信現(xiàn)在有了下面四種方式：

A線程寫(xiě)volatile變量，隨后B線程讀這個(gè)volatile變量。

A線程寫(xiě)volatile變量，隨后B線程用CAS更新這個(gè)volatile變量。

A線程用CAS更新一個(gè)volatile變量，隨后B線程用CAS更新這個(gè)volatile變量。

A線程用CAS更新一個(gè)volatile變量，隨后B線程讀這個(gè)volatile變量。

Java的CAS會(huì)使用現(xiàn)代處理器上提供的高效機(jī)器級(jí)別原子指令，這些原子指令以原子方式對(duì)內(nèi)存執(zhí)行讀-改-寫(xiě)操作，這是在多處理器中實(shí)現(xiàn)同步的關(guān)鍵（從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，能夠支持原子性讀-改-寫(xiě)指令的計(jì)算機(jī)器，是順序計(jì)算圖靈機(jī)的異步等價(jià)機(jī)器，因此任何現(xiàn)代的多處理器都會(huì)去支持某種能對(duì)內(nèi)存執(zhí)行原子性讀-改-寫(xiě)操作的原子指令）。同時(shí)，volatile變量的讀/寫(xiě)和CAS可以實(shí)現(xiàn)線程之間的通信。把這些特性整合在一起，就形成了整個(gè)concurrent包得以實(shí)現(xiàn)的基石。如果我們仔細(xì)分析concurrent包的源代碼實(shí)現(xiàn)，會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)通用化的實(shí)現(xiàn)模式：

首先，聲明共享變量為volatile；

然后，使用CAS的原子條件更新來(lái)實(shí)現(xiàn)線程之間的同步；

同時(shí)，配合以volatile的讀/寫(xiě)和CAS所具有的volatile讀和寫(xiě)的內(nèi)存語(yǔ)義來(lái)實(shí)現(xiàn)線程之間的通信。

AQS，非阻塞數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和原子變量類（java.util.concurrent.atomic包中的類），這些concurrent包中的基礎(chǔ)類都是使用這種模式來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而concurrent包中的高層類又是依賴于這些基礎(chǔ)類來(lái)實(shí)現(xiàn)的。從整體來(lái)看，concurrent包的實(shí)現(xiàn)示意圖如下：

（二）在AtomicInteger中應(yīng)用

CAS原理：?
? ? ? 通過(guò)查看AtomicInteger的源碼可知，?
? ? ? ?`private volatile int value;

public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {?
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);?
? ? ? ? ? ? ? ?} `?
? ? ? ? ? ? 通過(guò)申明一個(gè)volatile （內(nèi)存鎖定，同一時(shí)刻只有一個(gè)線程可以修改內(nèi)存值）類型的變量，再加上unsafe.compareAndSwapInt的方法，來(lái)保證實(shí)現(xiàn)線程同步的。

二、CAS(Compare and Swap)

CAS指令在Intel CPU上稱為CMPXCHG指令，它的作用是將指定內(nèi)存地址的內(nèi)容與所給的某個(gè)值相比，如果相等，則將其內(nèi)容替換為指令中提供的新值，如果不相等，則更新失敗。這一比較并交換的操作是原子的，不可以被中斷。初一看，CAS也包含了讀取、比較 (這也是種操作)和寫(xiě)入這三個(gè)操作，和之前的i++并沒(méi)有太大區(qū)別，是的，的確在操作上沒(méi)有區(qū)別，但CAS是通過(guò)硬件命令保證了原子性，而i++沒(méi)有，且硬件級(jí)別的原子性比i++這樣高級(jí)語(yǔ)言的軟件級(jí)別的運(yùn)行速度要快地多。雖然CAS也包含了多個(gè)操作，但其的運(yùn)算是固定的(就是個(gè)比較)，這樣的鎖定性能開(kāi)銷很小。

從內(nèi)存領(lǐng)域來(lái)說(shuō)這是樂(lè)觀鎖，因?yàn)樗趯?duì)共享變量更新之前會(huì)先比較當(dāng)前值是否與更新前的值一致，如果是，則更新，如果不是，則無(wú)限循環(huán)執(zhí)行(稱為自旋)，直到當(dāng)前值與更新前的值一致為止，才執(zhí)行更新。

??簡(jiǎn)單的來(lái)說(shuō)，CAS有3個(gè)操作數(shù)，內(nèi)存值V，舊的預(yù)期值A(chǔ)，要修改的新值B。當(dāng)且僅當(dāng)預(yù)期值A(chǔ)和內(nèi)存值V相同時(shí)，將內(nèi)存值V修改為B，否則返回V。這是一種樂(lè)觀鎖的思路，它相信在它修改之前，沒(méi)有其它線程去修改它；而Synchronized是一種悲觀鎖，它認(rèn)為在它修改之前，一定會(huì)有其它線程去修改它，悲觀鎖效率很低。下面來(lái)看一下AtomicInteger是如何利用CAS實(shí)現(xiàn)原子性操作的。

volatile變量

[java]?view plaincopy

private?volatile?int?value;??

首先聲明了一個(gè)volatile變量value， 我們知道volatile保證了變量的內(nèi)存可見(jiàn)性，也就是所有工作線程中同一時(shí)刻都可以得到一致的值。
[java]?view plaincopy

public?final?int?get()?{????

????return?value;????

}??

Compare And Set

[java]?view plaincopy

//?setup?to?use?Unsafe.compareAndSwapInt?for?updates????

private?static?final?Unsafe?unsafe?=?Unsafe.getUnsafe();????

private?static?final?long?valueOffset;//?注意是靜態(tài)的????

????

static?{????

??try?{????

????valueOffset?=?unsafe.objectFieldOffset????

????????(AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));//?反射出value屬性，獲取其在內(nèi)存中的位置????

??}?catch?(Exception?ex)?{?throw?new?Error(ex);?}????

}????

????

public?final?boolean?compareAndSet(int?expect,?int?update)?{????

??return?unsafe.compareAndSwapInt(this,?valueOffset,?expect,?update);????

}????

比較并設(shè)置，這里利用Unsafe類的JNI方法實(shí)現(xiàn)，使用CAS指令，可以保證讀-改-寫(xiě)是一個(gè)原子操作。compareAndSwapInt有4個(gè)參數(shù)，this - 當(dāng)前AtomicInteger對(duì)象，Offset - value屬性在內(nèi)存中的位置(需要強(qiáng)調(diào)的是不是value值在內(nèi)存中的位置)，expect - 預(yù)期值，update - 新值，根據(jù)上面的CAS操作過(guò)程，當(dāng)內(nèi)存中的value值等于expect值時(shí)，則將內(nèi)存中的value值更新為update值，并返回true，否則返回false。在這里我們有必要對(duì)Unsafe有一個(gè)簡(jiǎn)單點(diǎn)的認(rèn)識(shí)，從名字上來(lái)看，不安全，確實(shí)，這個(gè)類是用于執(zhí)行低級(jí)別的、不安全操作的方法集合，這個(gè)類中的方法大部分是對(duì)內(nèi)存的直接操作，所以不安全，但當(dāng)我們使用反射、并發(fā)包時(shí)，都間接的用到了Unsafe。

循環(huán)設(shè)置

現(xiàn)在在來(lái)看開(kāi)篇提到的兩個(gè)方法，我們拿incrementAndGet來(lái)分析一下其實(shí)現(xiàn)過(guò)程。 [java]?view plaincopy

public?final?int?incrementAndGet()?{????

????for?(;;)?{//?這樣優(yōu)于while(true)????

????????int?current?=?get();//?獲取當(dāng)前值????

????????int?next?=?current?+?1;//?設(shè)置更新值????

????????if?(compareAndSet(current,?next))????

????????????return?next;????

????}????

}???

循環(huán)內(nèi)，獲取當(dāng)前值并設(shè)置更新值，調(diào)用compareAndSet進(jìn)行CAS操作，如果成功就返回更新至，否則重試到成功為止。這里可能存在一個(gè)隱患，那就是循環(huán)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，總是在當(dāng)前線程compareAndSet時(shí)，有另一個(gè)線程設(shè)置了value(點(diǎn)子太背了)，這個(gè)當(dāng)然是屬于小概率時(shí)間，目前Java貌似還不能處理這種情況。

CAS用作原子操作

現(xiàn)在CPU內(nèi)部已經(jīng)執(zhí)行原子的CAS操作。Java5以來(lái)，你可以使用java.util.concurrent.atomic包中的一些原子類來(lái)使用CPU中的這些功能。

下面是一個(gè)使用AtomicBoolean類實(shí)現(xiàn)lock()方法的例子：

[java]?view plaincopy

public?static?class?MyLock?{??

????private?AtomicBoolean?locked?=?new?AtomicBoolean(false);??

???public?boolean?lock()?{??

????????return?locked.compareAndSet(false,?true);??

????}??

}??

locked變量不再是boolean類型而是AtomicBoolean。這個(gè)類中有一個(gè)compareAndSet()方法，它使用一個(gè)期望值和AtomicBoolean實(shí)例的值比較，和兩者相等，則使用一個(gè)新值替換原來(lái)的值。在這個(gè)例子中，它比較locked的值和false，如果locked的值為false，則把修改為true。
如果值被替換了，compareAndSet()返回true，否則，返回false。

使用Java5+提供的CAS特性而不是使用自己實(shí)現(xiàn)的的好處是Java5+中內(nèi)置的CAS特性可以讓你利用底層的你的程序所運(yùn)行機(jī)器的CPU的CAS特性。這會(huì)使還有CAS的代碼運(yùn)行更快。

簡(jiǎn)單例子：

[java]?view plaincopy

public?static?void?main(String[]?args)?{??

??

?????????AtomicInteger?atomicInteger?=?new?AtomicInteger(55);//55??

?????????int?addAndGet?=?atomicInteger.addAndGet(23);//78??

?????????boolean?compareAndSet?=?atomicInteger.compareAndSet(78,?43);//true??

?????????int?i?=?atomicInteger.get();//43??

????}??

cas缺點(diǎn)

雖然使用CAS可以實(shí)現(xiàn)非阻塞式的原子性操作，但是會(huì)產(chǎn)生ABA問(wèn)題，關(guān)于ABA問(wèn)題：
? ? ? ?有ABA問(wèn)題(即在更新前的值是A，但在操作過(guò)程中被其他線程更新為B，又更新為 A)，這時(shí)當(dāng)前線程認(rèn)為是可以執(zhí)行的，其實(shí)是發(fā)生了不一致現(xiàn)象，如果這種不一致對(duì)程序有影響(真正有這種影響的場(chǎng)景很少，除非是在變量操作過(guò)程中以此變量為標(biāo)識(shí)位做一些其他的事，比如初始化配置)，則需要使用AtomicStampedReference(除了對(duì)更新前的原值進(jìn)行比較，也需要用更新前的 stamp標(biāo)志位來(lái)進(jìn)行比較)。

總結(jié)：?
可以用CAS在無(wú)鎖的情況下實(shí)現(xiàn)原子操作，但要明確應(yīng)用場(chǎng)合，非常簡(jiǎn)單的操作且又不想引入鎖可以考慮使用CAS操作，當(dāng)想要非阻塞地完成某一操作也可以考慮CAS。不推薦在復(fù)雜操作中引入CAS，會(huì)使程序可讀性變差，且難以測(cè)試，同時(shí)會(huì)出現(xiàn)ABA問(wèn)題

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的CAS操作确保原子性的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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