java多线程之CAS详解

布满荆棘的人生 2022-06-12 07:22 226阅读 0赞

# 前言 #

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。

**\[java\]**  [view plain][]   [copy][view plain]

[print][view plain] [?][view plain]

1.  **public** **final** **int** incrementAndGet() \{  
2.      **for** (;;) \{  
3.          **int** current = get();  
4.          **int** next = current + 1;  
5.          **if** (compareAndSet(current, next))  
6.              **return** next;  
7.      \}  
8.  \}

**\[java\]**  [view plain][]   [copy][view plain]

[print][view plain] [?][view plain]

1.  **public** **final** **int** decrementAndGet() \{  
2.      **for** (;;) \{  
3.          **int** current = get();  
4.          **int** next = current - 1;  
5.          **if** (compareAndSet(current, next))  
6.              **return** next;  
7.      \}  
8.  \}

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][Link 1]和[第二章][Link 2]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 ][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。

## volatile变量 ##

**\[java\]**  [view plain][]   [copy][view plain]

[print][view plain] [?][view plain]

1.  **private** **volatile** **int** value;

首先声明了一个volatile变量value，在 [第二章][Link 2]我们知道volatile保证了变量的内存可见性，也就是所有工作线程中同一时刻都可以得到一致的值。

**\[java\]**  [view plain][]   [copy][view plain]

[print][view plain] [?][view plain]

1.  **public** **final** **int** get() \{  
2.      **return** value;  
3.  \}

## Compare And Set ##

**\[java\]**  [view plain][]   [copy][view plain]

[print][view plain] [?][view plain]

1.  // setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updates  
2.  **private** **static** **final** Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();  
3.  **private** **static** **final** **long** valueOffset;// 注意是静态的  
4.    
5.  **static** \{  
6.    **try** \{  
7.      valueOffset = unsafe.objectFieldOffset  
8.          (AtomicInteger.**class**.getDeclaredField("value"));// 反射出value属性，获取其在内存中的位置  
9.    \} **catch** (Exception ex) \{ **throw** **new** Error(ex); \}  
10. \}  
11.   
12. **public** **final** **boolean** compareAndSet(**int** expect, **int** update) \{  
13.   **return** unsafe.compareAndSwapInt(**this**, valueOffset, expect, update);  
14. \}

比较并设置，这里利用Unsafe类的JNI方法实现，使用CAS指令，可以保证读-改-写是一个原子操作。compareAndSwapInt有4个参数，this - 当前AtomicInteger对象，Offset - value属性在内存中的位置(需要强调的是不是value值在内存中的位置)，expect - 预期值，update - 新值，根据上面的CAS操作过程，当内存中的value值等于expect值时，则将内存中的value值更新为update值，并返回true，否则返回false。在这里我们有必要对Unsafe有一个简单点的认识，从名字上来看，不安全，确实，这个类是用于执行低级别的、不安全操作的方法集合，这个类中的方法大部分是对内存的直接操作，所以不安全，但当我们使用反射、并发包时，都间接的用到了Unsafe。

## 循环设置 ##

现在在来看开篇提到的两个方法，我们拿incrementAndGet来分析一下其实现过程。

**\[java\]**  [view plain][]   [copy][view plain]

[print][view plain] [?][view plain]

1.  **public** **final** **int** incrementAndGet() \{  
2.      **for** (;;) \{ // 这样优于while(true)  
3.          **int** current = get();// 获取当前值  
4.          **int** next = current + 1;// 设置更新值  
5.          **if** (compareAndSet(current, next))  
6.              **return** next;  
7.      \}  
8.  \}

循环内，获取当前值并设置更新值，调用compareAndSet进行CAS操作，如果成功就返回更新值，否则重试到成功为止。这里可能存在一个隐患，那就是循环时间过长，总是在当前线程compareAndSet时，有另一个线程设置了value(点子太背了)，这个当然是属于小概率时间，目前Java貌似还不能处理这种情况。

# ABA #

虽然使用CAS可以实现非阻塞式的原子性操作，但是会产生ABA问题，关于ABA问题，计划单拿出一章来整理。

#### 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。

本文来自： [高爽|Coder][Coder]，原文地址： [http://blog.csdn.net/ghsau/article/details/38471987][http_blog.csdn.net_ghsau_article_details_38471987]，转载请注明。

[Java]: http://lib.csdn.net/base/java
[view plain]: http://blog.csdn.net/ghsau/article/details/38471987#
[Link 1]: http://blog.csdn.net/ghsau/article/details/7421217
[Link 2]: http://blog.csdn.net/ghsau/article/details/7424694
[Coder]: http://blog.csdn.net/ghsau
[http_blog.csdn.net_ghsau_article_details_38471987]: http://blog.csdn.net/ghsau/article/details/38471987