JAVA中的CAS

来源:https://www.cnblogs.com/Shuuichi/archive/2019/03/24/10590710.html
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一、CAS概念與原理 CAS，全稱Compare And Swap（比較與交換），解決多線程並行情況下使用鎖造成性能損耗的一種機制。 實現思想 CAS（V, A, B），V為記憶體地址、A為預期原值，B為新值。如果記憶體地址的值與預期原值相匹配，那麼將該位置值更新為新值。否則，說明已經被其他線程更新，處 ...


一、CAS概念與原理

　　CAS，全稱Compare And Swap（比較與交換），解決多線程並行情況下使用鎖造成性能損耗的一種機制。

　　實現思想 CAS（V, A, B），V為記憶體地址、A為預期原值，B為新值。如果記憶體地址的值與預期原值相匹配，那麼將該位置值更新為新值。否則，說明已經被其他線程更新，處理器不做任何操作；無論哪種情況，它都會在 CAS 指令之前返回該位置的值。而我們可以使用自旋鎖，迴圈CAS，重新讀取該變數再嘗試再次修改該變數，也可以放棄操作。

　　CAS操作由處理器提供支持，是一種原語。原語是操作系統或電腦網路用語範疇。是由若幹條指令組成的，用於完成一定功能的一個過程，具有不可分割性，即原語的執行必須是連續的，在執行過程中不允許被中斷。如 Intel 處理器，比較並交換通過指令的 cmpxchg 系列實現。處理器相關指令不做過多介紹，有興趣的可自行查閱資料。

 

二、JDK1.8 中的CAS

　　Unsafe類，在sun.misc包下，不屬於Java標準。Unsafe類提供一系列增加Java語言能力的操作，如記憶體管理、操作類/對象/變數、多線程同步等。其中與CAS相關的方法有以下幾個：

//var1為CAS操作的對象，offset為var1某個屬性的地址偏移值，expected為期望值，var2為要設置的值，利用JNI來完成CPU指令的操作
public final native boolean compareAndSwapObject(Object var1, long offset, Object expected, Object var2);
public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long offset, int expected, int var2);
public final native boolean compareAndSwapLong(Object var1, long offset, long expected, long var2);

　　

    /** 如果CAS成功，return oldValue, oldValue =  oldValue + addValue
     *  如果CAS失敗，自旋，一直運行，直到成功為止
     */
    public final Xxx getAndAddXxx(Object var1, long offset, long addValue) {
        int oldValue;
        do {
            oldValue = this.getIntVolatile(var1, offset);
        } while(!this.compareAndSwapInt(var1, offset, oldValue, oldValue + addValue));

        return oldValue;
    }

    /** 如果CAS成功，return oldValue, oldValue =  newValue
     *  如果CAS失敗，自旋，一直運行，直到成功為止
     */
    public final Xxx getAndSetXxx(Object var1, long offset, Object newValue) {
        int oldValue;
        do {
            oldValue = this.getXxxVolatile(var1, offset);
        } while(!this.compareAndSwapXxx(var1, offset, oldValue, newValue));

        return oldValue;
    }

　　一般不建議使用Unsafe類，除非對它有很深入的瞭解。

　　

　　java.util.concurrent包中大量使用了CAS原理，如AtomicInteger類，都是調用上面幾個Unsafe方法保證多線程數據的正確性

　　以下是AtomicInteger的CAS操作相關源碼

  1 public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
  2     private static final long serialVersionUID = 6214790243416807050L;
  3 
  4     // setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updates
  5     // Unsafe類，提供一系列增強Java的功能，如記憶體管理、操作類/對象/變數、多線程同步等。不建議開發者調用
  6     private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
  7     // 獲取對象某個屬性的地址偏移值
  8     private static final long valueOffset;
  9 
 10     static {
 11         try {
 12             // value相對“起始地址”的偏移量
 13             valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
 14                     (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
 15         } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
 16     }
 17 
 18     // value值， volatile修飾，保證不同線程間的可見性
 19     private volatile int value;
 20     public AtomicInteger(int initialValue) { value = initialValue; }
 21     public AtomicInteger() {}
 22 
 23     public final int get() { return value; }
 24     public final void set(int newValue) { value = newValue; }
 25 
 26     /**
 27      * Eventually sets to the given value.
 28      *
 29      * @param newValue the new value
 30      * @since 1.6
 31      */
 32     public final void lazySet(int newValue) {
 33         //有序或者有延遲的putIntVolatile方法
 34         unsafe.putOrderedInt(this, valueOffset, newValue);
 35     }
 36 
 37     /**
 38      * Atomically sets to the given value and returns the old value.
 39      * @param newValue the new value
 40      * @return the previous value
 41      */
 42     public final int getAndSet(int newValue) {
 43         return unsafe.getAndSetInt(this, valueOffset, newValue);
 44     }
 45 
 46     /**
 47      * Atomically sets the value to the given updated value
 48      * if the current value {@code ==} the expected value.
 49      * @param expect the expected value
 50      * @param update the new value
 51      * @return {@code true} if successful. False return indicates that
 52      * the actual value was not equal to the expected value.
 53      */
 54     public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
 55         // JNI調用，實現CAS
 56         return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
 57     }
 58 
 59     /**
 60      * i++ 操作
 61      * Atomically increments by one the current value.
 62      * @return the previous value
 63      */
 64     public final int getAndIncrement() {
 65         return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
 66     }
 67 
 68     /**
 69      * i-- 操作
 70      * Atomically decrements by one the current value.
 71      * @return the previous value
 72      */
 73     public final int getAndDecrement() {
 74         return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, -1);
 75     }
 76 
 77     /**
 78      * return i, i = i + n 操作
 79      * Atomically adds the given value to the current value.
 80      * @param delta the value to add
 81      * @return the previous value
 82      */
 83     public final int getAndAdd(int delta) {
 84         return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta);
 85     }
 86 
 87     /**
 88      * ++i 操作
 89      * Atomically increments by one the current value.
 90      * @return the updated value
 91      */
 92     public final int incrementAndGet() {
 93         return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
 94     }
 95 
 96     /**
 97      * --i 操作
 98      * Atomically decrements by one the current value.
 99      * @return the updated value
100      */
101     public final int decrementAndGet() {
102         return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, -1) - 1;
103     }
104 
105     /**
106      * i = i + n ,return i操作
107      * Atomically adds the given value to the current value.
108      * @param delta the value to add
109      * @return the updated value
110      */
111     public final int addAndGet(int delta) {
112         return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta) + delta;
113     }
114     // 其餘函數，略...
115

　　

三、CAS缺點

　　CAS有幾個缺點：

　　1、ABA問題。當第一個線程執行CAS操作，尚未修改為新值之前，記憶體中的值已經被其他線程連續修改了兩次，使得變數值經歷 A -> B -> A的過程。

　　解決方案：添加版本號作為標識，每次修改變數值時，對應增加版本號； 做CAS操作前需要校驗版本號。JDK1.5之後，新增AtomicStampedReference類來處理這種情況。

　　2、迴圈時間長開銷大。如果有很多個線程併發，CAS自旋可能會長時間不成功，會增大CPU的執行開銷。

　　3、只能對一個變數進原子操作。JDK1.5之後，新增AtomicReference類來處理這種情況，可以將多個變數放到一個對象中。

　　

 


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