JUC原子类: CAS, Unsafe和原子类详解

前言

      JUC中多数类是通过volatile和CAS来实现的，CAS本质上提供的是一种无锁方案，而Synchronized和Lock是互斥锁方案; Java原子类本质上使用的是CAS，而CAS底层是通过Unsafe类实现的。

      线程安全的实现方法包含:

1、互斥同步: synchronized 和 ReentrantLock 非阻塞同步:

2、CAS, AtomicXXXX

3、无同步方案: 栈封闭，Thread Local，可重入代码

一、CAS

（1）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。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。

        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。

（2）CAS使用示例

       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)。

（3）CAS 问题

       CAS 方式为乐观锁，synchronized 为悲观锁。因此使用 CAS 解决并发问题通常情况下性能更优。但使用 CAS 方式也会有几个问题：

        1、ABA问题

       因为CAS需要在操作值的时候，检查值有没有发生变化，比如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进行检查时则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1，那么A->B->A就会变成1A->2B->3A。

       从Java 1.5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。

        2、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。如果JVM能支持处理器提供的pause指令，那么效率会有一定的提升。

 pause指令有两个作用：

第一，它可以延迟流水线执行命令(de-pipeline)，使CPU不会消耗过多的执行资源，延迟的时间取决于具体实现的版本，在一些处理器上延迟时间是零；

第二，它可以避免在退出循环的时候因内存顺序冲突(Memory Order Violation)而引起CPU流水线被清空(CPU Pipeline Flush)，从而提高CPU的执行效率。

        3、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。还有一个取巧的办法，就是把多个共享变量合并成一个共享变量来操作。

比如，有两个共享变量i = 2，j = a，合并一下ij = 2a，然后用CAS来操作ij。

       从Java 1.5开始，JDK提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性，就可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作。

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二、UnSafe类详解

     Java原子类是通过UnSafe类实现的

（1）Unsafe与CAS

       Unsafe是位于sun.misc包下的一个类，主要提供一些用于执行低级别、不安全操作的方法，如直接访问系统内存资源、自主管理内存资源等，这些方法在提升Java运行效率、增强Java语言底层资源操作能力方面起到了很大的作用。但由于Unsafe类使Java语言拥有了类似C语言指针一样操作内存空间的能力，这无疑也增加了程序发生相关指针问题的风险。在程序中过度、不正确使用Unsafe类会使得程序出错的概率变大，使得Java这种安全的语言变得不再“安全”，因此对Unsafe的使用一定要慎重。

       这个类尽管里面的方法都是 public 的，但是并没有办法使用它们，JDK API 文档也没有提供任何关于这个类的方法的解释。总而言之，对于 Unsafe 类的使用都是受限制的，只有授信的代码才能获得该类的实例，当然 JDK 库里面的类是可以随意使用的。

Unsafe

       Unsafe提供的API大致可分为内存操作、CAS、Class相关、对象操作、线程调度、系统信息获取、内存屏障、数组操作等几类。

（2）Unsafe底层

       Unsafe的compareAndSwap*方法来实现CAS操作，它是一个本地方法，实现位于unsafe.cpp中。通过 Atomic::cmpxchg 来实现比较和替换操作。如果是多处理器，为cmpxchg指令添加lock前缀。反之，就省略lock前缀(单处理器会不需要lock前缀提供的内存屏障效果)。这里的lock前缀就是使用了处理器的总线锁(最新的处理器都使用缓存锁代替总线锁来提高性能)。

       cmpxchg(void* ptr, int old, int new)，如果ptr和old的值一样，则把new写到ptr内存，否则返回ptr的值，整个操作是原子的。在Intel平台下，会用lock cmpxchg来实现，使用lock触发缓存锁，这样另一个线程想访问ptr的内存，就会被block住。

（3）Unsafe其它功能

       Unsafe 提供了硬件级别的操作，比如说获取某个属性在内存中的位置，比如说修改对象的字段值，即使它是私有的。

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三、AtomicInteger

（1）使用举例

（2）源码解析

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四、延伸到所有原子类：共13个

（1）原子更新基本类型

（2）原子更新数组

（3）原子更新引用类型

（4）原子更新字段类

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五、再讲讲AtomicStampedReference解决CAS的ABA问题

（1）AtomicStampedReference解决ABA问题

（2）使用举例

（3）java中还有哪些类可以解决ABA的问题?

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