Java并发编程系列-(3) 原子操作与CAS

3. 原子操作与CAS

3.1 原子操作

所谓原子操作是指不会被线程调度机制打断的操作；这种操作一旦开始，就一直运行到结束，中间不会有任何context switch，也就是切换到另一个线程。

为了实现原子操作，Java中可以通过synchronized关键字将函数或者代码块包围，以实现操作的原子性。但是synchronized关键字有一些很显著的问题：

1、synchronized是基于阻塞锁的机制，如果被阻塞的线程优先级很高，可能很长时间其他线程都没有机会运行；
2、拿到锁的线程一直不释放锁，可能导致其他线程一直等待；
3、线程数量很多时，可能带来大量的竞争，消耗cpu，同时带来死锁或者其他安全。

像synchronized这种独占锁属于悲观锁，它是在假设一定会发生冲突的，那么加锁恰好有用，除此之外，还有乐观锁，乐观锁的含义就是假设没有发生冲突，那么我正好可以进行某项操作，如果要是发生冲突呢，那我就重试直到成功，乐观锁最常见的就是CAS。

JAVA内部在实现原子操作的类时都应用到了CAS。

3.2 CAS

CAS是CompareAndSwap的缩写，即比较并替换。CAS需要有3个操作数：内存地址V，旧的预期值A，即将要更新的目标值B。

CAS指令执行时，当且仅当内存地址V的值与预期值A相等时，将内存地址V的值修改为B，否则就什么都不做。整个比较并替换的操作是一个原子操作，大多数现代处理器都支持CAS指令。

JDK中关于原子操作的类有，

• 更新基本类型类：AtomicBoolean，AtomicInteger，AtomicLong，AtomicReference

• 更新数组类：AtomicIntegerArray，AtomicLongArray，AtomicReferenceArray

• 更新引用类型：AtomicReference，AtomicMarkableReference，AtomicStampedReference

• 原子更新字段类： AtomicReferenceFieldUpdater，AtomicIntegerFieldUpdater，AtomicLongFieldUpdater

下面例子为AtomicInteger的基本用法，

public class UseAtomicInt {
    
    static AtomicInteger ai = new AtomicInteger(10);
    
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(ai.getAndIncrement());//10--->11
        System.out.println(ai.incrementAndGet());//11--->12--->out
        System.out.println(ai.get());
    }
}

深入getAndIncrement的实现可以发现，内部调用了CAS进行value的更新，

   /**
     * Atomically adds the given value to the current value of a field
     * or array element within the given object {@code o}
     * at the given {@code offset}.
     *
     * @param o object/array to update the field/element in
     * @param offset field/element offset
     * @param delta the value to add
     * @return the previous value
     * @since 1.8
     */
    @HotSpotIntrinsicCandidate
    public final int getAndAddInt(Object o, long offset, int delta) {
        int v;
        do {
            v = getIntVolatile(o, offset);
        } while (!weakCompareAndSetInt(o, offset, v, v + delta));
        return v;
    }

CAS在底层通过JNI调用系统的Atomic::cmpxchg方法，来进行value的比较与更新。

对于CAS的实现，这依赖于CPU提供的特定指令，具体根据体系结构的不同还存在着明显区别。比如，x86 CPU 提供 cmpxchg 指令；而在精简指令集的体系架构中，则通常是靠一对儿指令（如“load and reserve”和“store conditional”）实现的，在大多数处理器上 CAS 都是个非常轻量级的操作，这也是其优势所在。

3.3 CAS的问题

CAS虽然很高效的解决了原子操作问题，但是CAS仍然存在三大问题。

• ABA问题

什么是ABA问题？ABA问题怎么解决？如果内存地址V初次读取的值是A，并且在准备赋值的时候检查到它的值仍然为A，那我们就能说它的值没有被其他线程改变过了吗？如果在这段期间它的值曾经被改成了B，后来又被改回为A，那CAS操作就会误认为它从来没有被改变过。这个漏洞称为CAS操作的“ABA”问题。
Java并发包为了解决这个问题，提供了一个带有标记的原子引用类“AtomicStampedReference”，它可以通过控制变量值的版本来保证CAS的正确性。因此，在使用CAS前要考虑清楚“ABA”问题是否会影响程序并发的正确性，如果需要解决ABA问题，改用传统的互斥同步可能会比原子类更高效。

• 开销问题

循环时间长开销很大：我们可以看到getAndAddInt方法执行时，如果CAS失败，会一直进行尝试。如果CAS长时间一直不成功，可能会给CPU带来很大的开销。

• 只能保证一个共享变量的原子操作

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来保证原子性。

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