java并发编程：CAS与原子操作

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乐观锁与悲观锁

锁可以从不同的角度分类。其中，乐观锁和悲观锁是一种分类方式。

悲观锁就是我们常说的锁。对于悲观锁来说，它总是认为每次访问共享资源时会发生冲突，所以必须对每次数据操作加上锁，以保证临界区的程序同一时间只能有一个线程在执行。

乐观锁又称为“无锁”，顾名思义，它是乐观派。乐观锁总是假设对共享资源的访问没有冲突，线程可以不停地执行，无需加锁也无需等待。而一旦多个线程发生冲突，乐观锁通常是使用一种称为CAS的技术来保证线程执行的安全性。

由于无锁操作中没有锁的存在，因此不可能出现死锁的情况，也就是说乐观锁天生免疫死锁。

乐观锁多用于“读多写少“的环境，避免频繁加锁影响性能；而悲观锁多用于”写多读少“的环境，避免频繁失败和重试影响性能。

CAS

CAS的全称是：比较并交换（Compare And Swap）。在CAS中，有这样三个值：

• V：要更新的变量(var)
• E：预期值(expected)
• N：新值(new)

比较并交换的过程如下：

判断V是否等于E，如果等于，将V的值设置为N；如果不等，说明已经有其它线程更新了V，则当前线程放弃更新，什么都不做。

所以这里的预期值E本质上指的是“旧值”。

我们以一个简单的例子来解释这个过程：

1. 如果有一个多个线程共享的变量i原本等于5，我现在在线程A中，想把它设置为新的值6;
2. 我们使用CAS来做这个事情；
3. 首先我们用i去与5对比，发现它等于5，说明没有被其它线程改过，那我就把它设置为新的值6，此次CAS成功，i的值被设置成了6；
4. 如果不等于5，说明i被其它线程改过了（比如现在i的值为2），那么我就什么也不做，此次CAS失败，i的值仍然为2。

在这个例子中，i就是V，5就是E，6就是N。

那有没有可能我在判断了i为5之后，正准备更新它的新值的时候，被其它线程更改了i的值呢？

不会的。因为CAS是一种原子操作，它是一种系统原语，是一条CPU的原子指令，从CPU层面保证它的原子性。

当多个线程同时使用CAS操作一个变量时，只有一个会胜出，并成功更新，其余均会失败，但失败的线程并不会被挂起，仅是被告知失败，并且允许再次尝试，当然也允许失败的线程放弃操作。

Unsafe类

前面提到，CAS是一种原子操作。那么Java是怎样来使用CAS的呢？我们知道，在Java中，如果一个方法是native的，那Java就不负责具体实现它，而是交给底层的JVM使用c或者c++去实现。

在Java中，有一个Unsafe类，它在sun.misc包中。它里面是一些native方法，其中就有几个关于CAS的：

boolean compareAndSwapObject(Object o, long offset,Object expected, Object x);
boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset,int expected,int x);
boolean compareAndSwapLong(Object o, long offset,long expected,long x);

当然，他们都是public native的。

Unsafe中对CAS的实现是C++写的，它的具体实现和操作系统、CPU都有关系。

Linux的X86下主要是通过cmpxchgl这个指令在CPU级完成CAS操作的，但在多处理器情况下必须使用lock指令加锁来完成。当然不同的操作系统和处理器的实现会有所不同，大家可以自行了解。

当然，Unsafe类里面还有其它方法用于不同的用途。比如支持线程挂起和恢复的park和unpark， LockSupport类底层就是调用了这两个方法。还有支持反射操作的allocateInstance()方法。

AtomicInteger类

上面介绍了Unsafe类的几个支持CAS的方法。那Java具体是如何使用这几个方法来实现原子操作的呢？

JDK提供了一些用于原子操作的类，在java.util.concurrent.atomic包下面。在JDK 11中，有如下17个类：

从名字就可以看得出来这些类大概的用途：

• 原子更新基本类型
• 原子更新数组
• 原子更新引用
• 原子更新字段（属性）

这里我们以AtomicInteger类的getAndAdd(int delta)方法为例，来看看Java是如何实现原子操作的。

先看看这个方法的源码：

public final int getAndAdd(int delta) {
    return U.getAndAddInt(this, VALUE, delta);
}

这里的U其实就是一个Unsafe对象：

private static final jdk.internal.misc.Unsafe U = jdk.internal.misc.Unsafe.getUnsafe();

所以其实AtomicInteger类的getAndAdd(int delta)方法是调用Unsafe类的方法来实现的：

@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;
}

注：这个方法是在JDK 1.8才新增的。在JDK1.8之前，AtomicInteger源码实现有所不同，是基于for死循环的，有兴趣的读者可以自行了解一下。

我们来一步步解析这段源码。首先，对象o是this，也就是一个AtomicInteger对象。然后offset是一个常量VALUE。这个常量是在AtomicInteger类中声明的：

private static final long VALUE = U.objectFieldOffset(AtomicInteger.class, "value");

同样是调用的Unsafe的方法。从方法名字上来看，是得到了一个对象字段偏移量。

继续看源码。前面我们讲到，CAS是“无锁”的基础，它允许更新失败。所以经常会与while循环搭配，在失败后不断去重试。

这里声明了一个v，也就是要返回的值。从getAndAddInt来看，它返回的应该是原来的值，而新的值的v + delta。

这里使用的是do-while循环。这种循环不多见，它的目的是保证循环体内的语句至少会被执行一遍。这样才能保证return 的值v是我们期望的值。

循环体的条件是一个CAS方法：

public final boolean weakCompareAndSetInt(Object o, long offset,
                                          int expected,
                                          int x) {
    return compareAndSetInt(o, offset, expected, x);
}

public final native boolean compareAndSetInt(Object o, long offset,
                                             int expected,
                                             int x);

可以看到，最终其实是调用的是CAS native方法。那为什么要经过一层weakCompareAndSetInt呢？从JDK源码上看不出来什么。在JDK 8及之前的版本，这两个方法是一样的。

简单来说，weakCompareAndSet操作仅保留了volatile自身变量的特性，而除去了happens-before规则带来的内存语义。也就是说，weakCompareAndSet无法保证处理操作目标的volatile变量外的其他变量的执行顺序( 编译器和处理器为了优化程序性能而对指令序列进行重新排序 )，同时也无法保证这些变量的可见性。这在一定程度上可以提高性能。

再回到循环条件上来，可以看到它是在不断尝试去用CAS更新。如果更新失败，就继续重试。那为什么要把获取“旧值”v的操作放到循环体内呢？其实这也很好理解。前面我们说了，CAS如果旧值V不等于预期值E，它就会更新失败。说明旧的值发生了变化。那我们当然需要返回的是被其他线程改变之后的旧值了，因此放在了do循环体内。

CAS实现原子操作的三大问题

这里介绍一下CAS实现原子操作的三大问题及其解决方案。

ABA问题

所谓ABA问题，就是一个值原来是A，变成了B，又变回了A。这个时候使用CAS是检查不出变化的，但实际上却被更新了两次。

ABA问题的解决思路是在变量前面追加上版本号或者时间戳。从JDK 1.5开始，JDK的atomic包里提供了一个类AtomicStampedReference类来解决ABA问题。

这个类的compareAndSet方法的作用是首先检查当前引用是否等于预期引用，并且检查当前标志是否等于预期标志，如果二者都相等，才使用CAS设置为新的值和标志。

public boolean compareAndSet(V   expectedReference,
                             V   newReference,
                             int expectedStamp,
                             int newStamp) {
    Pair<V> current = pair;
    return
        expectedReference == current.reference &&
        expectedStamp == current.stamp &&
        ((newReference == current.reference &&
          newStamp == current.stamp) ||
         casPair(current, Pair.of(newReference, newStamp)));
}

循环时间长开销大

CAS多与自旋结合。如果自旋CAS长时间不成功，会占用大量的CPU资源。

解决思路是让JVM支持处理器提供的pause指令。

pause指令能让自旋失败时cpu睡眠一小段时间再继续自旋，从而使得读操作的频率低很多,为解决内存顺序冲突而导致的CPU流水线重排的代价也会小很多。

只能保证一个共享变量的原子操作

这个问题你可能已经知道怎么解决了。有两种解决方案：

1. 使用JDK 1.5开始就提供的AtomicReference类保证对象之间的原子性，把多个变量放到一个对象里面进行CAS操作；
2. 使用锁。锁内的临界区代码可以保证只有当前线程能操作。