java并发中的原子变量和原子操作以及CAS介绍

起源于一道面试题i++是不是原子操作？什么事原子操作？于是乎搜集答案：

      很多情况下我们只是需要一个简单的、高效的、线程安全的递增递减方案。注意，这里有三个条件：简单，意味着程序员尽可能少的操作底层或者实现起来要比较容易；高效意味着耗用资源要少，程序处理速度要快；线程安全也非常重要，这个在多线程下能保证数据的正确性。这三个条件看起来比较简单，但是实现起来却难以令人满意。

      通常情况下，在Java里面，++i或者--i不是线程安全的，这里面有三个独立的操作：获得变量当前值，为该值+1/-1，然后写回新的值。在没有额外资源可以利用的情况下，只能使用加锁才能保证读-改-写这三个操作是“原子性”的。

      Java 5新增了AtomicInteger类，该类包含方法getAndIncrement()以及getAndDecrement()，这两个方法实现了原子加以及原子减操作，但是比较不同的是这两个操作没有使用任何加锁机制，属于无锁操作。      

      在JDK 5之前Java语言是靠synchronized关键字保证同步的，这会导致有锁（后面的章节还会谈到锁）。

      锁机制存在以下问题：

      （1）在多线程竞争下，加锁、释放锁会导致比较多的上下文切换和调度延时，引起性能问题。

      （2）一个线程持有锁会导致其它所有需要此锁的线程挂起。

      （3）如果一个优先级高的线程等待一个优先级低的线程释放锁会导致优先级倒置，引起性能风险。

      volatile是不错的机制，但是volatile不能保证原子性。因此对于同步最终还是要回到锁机制上来。

      独占锁是一种悲观锁，synchronized就是一种独占锁，会导致其它所有需要锁的线程挂起，等待持有锁的线程释放锁。而另一个更加有效的锁就是乐观锁。所谓乐观锁就是，每次不加锁而是假设没有冲突而去完成某项操作，如果因为冲突失败就重试，直到成功为止。

CAS 操作

      上面的乐观锁用到的机制就是CAS，Compare and Swap。

      CAS有3个操作数，内存值V，旧的预期值A，要修改的新值B。当且仅当预期值A和内存值V相同时，将内存值V修改为B，否则什么都不做。

非阻塞算法 （nonblocking algorithms）

一个线程的失败或者挂起不应该影响其他线程的失败或挂起的算法。

      现代的CPU提供了特殊的指令，可以自动更新共享数据，而且能够检测到其他线程的干扰，而 compareAndSet() 就用这些代替了锁定。

      拿出AtomicInteger来研究在没有锁的情况下是如何做到数据正确性的。

private volatile int value;

    首先毫无疑问，在没有锁的机制下需要借助volatile原语，保证线程间的数据是可见的（共享的），这样获取变量值的时候才能直接读取。

public final int get() {
        return value;
    }

      然后来看看++i是怎么做到的。

public final int incrementAndGet() {
    for (;;) {
        int current = get();
        int next = current + 1;
        if (compareAndSet(current, next))
            return next;
    }
}

      在这里采用了CAS操作，每次从内存中读取数据然后将此数据和+1后的结果进行CAS操作，如果成功就返回结果，否则重试直到成功为止。

      而compareAndSet利用JNI来完成CPU指令的操作。

public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {   
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
    }

      整体的过程就是这样子的，利用CPU的CAS指令，同时借助JNI来完成Java的非阻塞算法。其它原子操作都是利用类似的特性完成的。

      而整个J.U.C都是建立在CAS之上的，因此对于synchronized阻塞算法，J.U.C在性能上有了很大的提升。参考资料的文章中介绍了如果利用CAS构建非阻塞计数器、队列等数据结构。

      CAS看起来很爽，但是会导致“ABA问题”。

      CAS算法实现一个重要前提需要取出内存中某时刻的数据，而在下时刻比较并替换，但是在这个时间差内任何变化都可能发生。

      比如说一个线程one从内存位置V中取出A，这时候另一个线程two也从内存中取出A，并且two进行了一些操作变成了B，然后two又将V位置的数据变成A，这时候线程one进行CAS操作发现内存中仍然是A，然后one操作成功。尽管线程one的CAS操作成功，但是不代表这个过程就是没有问题的。如果链表的头在变化了两次后恢复了原值，但是不代表链表就没有变化。要解决"ABA问题"，我们需要增加一个版本号，在更新变量值的时候不应该只更新一个变量值，而应该更新两个值，分别是变量值和版本号，AtomicStampedReference支持在两个变量上进行原子的条件更新，可以使用该类进行更新操作。

参考资料：

（1）非阻塞算法简介

（2）流行的原子

 

转自：http://www.blogjava.net/xylz/archive/2010/07/04/325206.html

=====================================

关于java多线程CAS

       在Java并发包中有这样一个包，java.util.concurrent.atomic，该包是对Java部分数据类型的原子封装，在原有数据类型的基础上，提供了原子性的操作方法，保证了线程安全。下面以AtomicInteger为例，来看一下是如何实现的。

public final int incrementAndGet() {
    for (;;) {
        int current = get();
        int next = current + 1;
        if (compareAndSet(current, next))
            return next;
    }
}

 

public final int decrementAndGet() {
    for (;;) {
        int current = get();
        int next = current - 1;
        if (compareAndSet(current, next))
            return next;
    }
}

 

       以这两个方法为例，incrementAndGet方法相当于原子性的++i，decrementAndGet方法相当于原子性的--i（根据第一章和第二章我们知道++i或--i不是一个原子性的操作），这两个方法中都没有使用阻塞式的方式来保证原子性（如Synchronized），那它们是如何保证原子性的呢，下面引出CAS。

Compare And Swap

       CAS 指的是现代 CPU 广泛支持的一种对内存中的共享数据进行操作的一种特殊指令。这个指令会对内存中的共享数据做原子的读写操作。简单介绍一下这个指令的操作过程：首先，CPU 会将内存中将要被更改的数据与期望的值做比较。然后，当这两个值相等时，CPU 才会将内存中的数值替换为新的值。否则便不做操作。最后，CPU 会将旧的数值返回。这一系列的操作是原子的。它们虽然看似复杂，但却是 Java 5 并发机制优于原有锁机制的根本。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，并告诉我原来的值是多少”。（这段描述引自《Java并发编程实践》）
       简单的来说，CAS有3个操作数，内存值V，旧的预期值A，要修改的新值B。当且仅当预期值A和内存值V相同时，将内存值V修改为B，否则返回V。这是一种乐观锁的思路，它相信在它修改之前，没有其它线程去修改它；而Synchronized是一种悲观锁，它认为在它修改之前，一定会有其它线程去修改它，悲观锁效率很低。下面来看一下AtomicInteger是如何利用CAS实现原子性操作的。

CAS的ABA问题

所谓 ，问题基本是这个样子：

1. 进程P1在共享变量中读到值为A
2. P1被抢占了，进程P2执行
3. P2把共享变量里的值从A改成了B，再改回到A，此时被P1抢占。
4. P1回来看到共享变量里的值没有被改变，于是继续执行。

虽然P1以为变量值没有改变，继续执行了，但是这个会引发一些潜在的问题。ABA问题最容易发生在lock free 的算法中的，CAS首当其冲，因为CAS判断的是指针的地址。如果这个地址被重用了呢，问题就很大了。（地址被重用是很经常发生的，一个内存分配后释放了，再分配，很有可能还是原来的地址）

比如上述的DeQueue()函数，因为我们要让head和tail分开，所以我们引入了一个dummy指针给head，当我们做CAS的之前，如果head的那块内存被回收并被重用了，而重用的内存又被EnQueue()进来了，这会有很大的问题。（内存管理中重用内存基本上是一种很常见的行为）

这个例子你可能没有看懂，维基百科上给了一个活生生的例子——

你拿着一个装满钱的手提箱在飞机场，此时过来了一个火辣性感的美女，然后她很暖昧地挑逗着你，并趁你不注意的时候，把用一个一模一样的手提箱和你那装满钱的箱子调了个包，然后就离开了，你看到你的手提箱还在那，于是就提着手提箱去赶飞机去了。

这就是ABA的问题。