Java并发 --- CAS解析（对比synchronized ）

什么是 CAS

• CAS,compare and swap的缩写，中文翻译成比较并交换。CAS指令在Intel CPU上称为CMPXCHG指令，它的作用是将指定内存地址的内容与所给的某个值相比，如果相等，则将其内容替换为指令中提供的新值，如果不相等，则更新失败。
• 从内存领域来说这是乐观锁，因为它在对共享变量更新之前会先比较当前值是否与更新前的值一致，如果是，则更新，如果不是，则无限循环执行(称为自旋)，直到当前值与更新前的值一致为止，才执行更新。
• 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。

那些地方采用了 CAS 机制？

• 在 java.util.concurrent.atomic 包下，一系列以 Atomic 开头的包装类。例如AtomicBoolean，AtomicInteger，AtomicLong 等，它们就是典型的利用 CAS 机制实现的原子操作类。
• 此外，Lock 系列类的底层实现以及 Java 1.6 在 synchronized 转换为重量级锁之前，也会采用到 CAS 机制。

CAS底层实现

简单分析一下AtomicInteger的incrementAndGet的实现。

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

这段代码是一个无限循环，也就是CAS的自旋。循环体当中做了三件事：

• 获取当前值。
• 当前值+1，计算出目标值。
• 进行CAS操作，如果成功则跳出循环（当前值和目标值相等），如果失败则重复上述步骤。

注意：

• 这里需要注意的重点是 get 方法，这个方法的作用是获取变量的当前值。
• 如何保证获得的当前值是内存中的最新值呢？很简单，用volatile关键字来保证。

拓展一下：while(1) 和 for(;;)两种死循环：

while(1) ：

  编译前              编译后 
while (1)；         mov eax,1  
                    test eax,eax 
                    je foo+23h
                    jmp foo+18h
 for(;;)：

    编译前              编译后 
for (；；)；          jmp foo+23h 

总结：宏观功能相同的，但是底层编译后代码简洁很多。

那么compareAndSet方法如何保证原子性操作呢？

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

compareAndSet方法的实现很简单，只有一行代码。这里涉及到两个重要的对象，一个是unsafe，一个是valueOffset。

• 什么是unsafe呢？Java语言不像C，C++那样可以直接访问底层操作系统，但是JVM为我们提供了一个后门，这个后门就是unsafe。unsafe为我们提供了硬件级别的原子操作。
• 至于valueOffset对象，是通过unsafe.objectFieldOffset方法得到，所代表的是AtomicInteger对象value成员变量在内存中的偏移量。我们可以简单地把valueOffset理解为value变量的内存地址。

总结：关键在于unsafe提供硬件级别的原子操作。

CAS机制当中使用了3个基本操作数：内存地址V，旧的预期值A，要修改的新值B。而unsafe的compareAndSwapInt方法参数包括了这三个基本元素：valueOffset参数代表了V，expect参数代表了A，update参数代表了B。正是unsafe的compareAndSwapInt方法保证了Compare和Swap操作之间的原子性操作。

CAS 的缺点及解决方式

CAS虽然很高效的解决原子操作，但是CAS仍然存在三大问题。ABA问题，循环时间长开销大和只能保证一个共享变量的原子操作：

• ABA问题：因为CAS需要在操作值的时候检查下值有没有发生变化，如果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一，那么A－B－A 就会变成1A-2B-3A。
  • 从Java1.5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方法作用是首先检查当前引用是否等于预期引用，并且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。

• 循环时间长开销大：在并发量比较高的情况下，如果许多线程反复尝试更新某一个变量，即自旋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指令（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。
  • 代码层面，破坏掉for死循环，当自旋超过一定时间或者一定次数时，return退出。
  • 使用类似ConcurrentHashMap的方法。当多个线程竞争时，将粒度变小，将一个变量拆分为多个变量，达到多个线程访问多个资源的效果，最后再调用sum把它合起来，能降低CPU消耗，但是治标不治本。

• 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，或者有一个取巧的办法，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Java1.5开始JDK提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性，你可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作。

synchronized 和 CAS 的区别

• synchronized 采用的是 CPU 悲观锁机制，即线程获得的是独占锁。独占锁就意味着 其他线程只能依靠阻塞来等待线程释放锁。而在 CPU 转换线程阻塞时会引起线程上下文切换，当有很多线程竞争锁的时候，会引起 CPU 频繁的上下文切换导致效率很低。尽管 Java1.6 为 synchronized 做了优化，增加了从偏向锁到轻量级锁再到重量级锁的过度，但是在最终转变为重量级锁之后，性能仍然较低。
• CAS 是英文单词 Compare And Swap 的缩写，翻译过来就是比较并替换。它当中使用了3个基本操作数：内存地址 V，旧的预期值 A，要修改的新值 B。采用的是一种乐观锁的机制，它不会阻塞任何线程，所以在效率上，它会比 synchronized 要高。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。

所以，在并发量非常高的情况下，我们尽量的用同步锁，而在其他情况下，我们可以灵活的采用 CAS 机制。

巨人的肩膀：

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