并发系列之CAS与原子操作

r囧r小猫 2022-11-18 02:12 304阅读 0赞

### 并发系列之CAS与原子操作 ###

*   *  1、CAS的概念
     *  2、Java实现CAS的原理 - Unsafe类
     *  3、原子操作-AtomicInteger类源码简析
     *  4、CAS实现原子操作的三大问题
     *   *  4.1、ABA问题
         *  4.2、循环时间长开销大
         *  4.3、只能保证一个共享变量的原子操作
     *  5、往期佳文
     *   *  5.1、面试系列
         *  5.2、技术系列
         *  5.3、源码系列
         *  5.4、数据结构和算法系列
         *  5.5、多线程系列

## 1、CAS的概念 ##

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

1.  V：要更新的变量(var)
2.  E：预期值(expected)
3.  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”。

**例子：**

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。）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。

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## 2、Java实现CAS的原理 - Unsafe类 ##

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（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。）：

public final native boolean compareAndSwapObject(Object var1, long var2, Object var4, Object var5);
    public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);
    public final native boolean compareAndSwapLong(Object var1, long var2, long var4, long var6);

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，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。

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## 3、原子操作-AtomicInteger类源码简析 ##

JDK提供了一些用于原子操作的类，在java.util.concurrent.atomic包下面。在JDK 8中，有如下17个类：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3d0eWljeQ_size_16_color_FFFFFF_t_70]

从名字就可以看得出来这些类大概的用途：

1.  原子更新基本类型
2.  原子更新数组
3.  原子更新引用
4.  原子更新字段（属性）

以AtomicInteger类的getAndAdd(int delta)方法为例（U其实就是一个Unsafe对象）：

private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
    public final int getAndAdd(int delta) { 
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta);
    }
    //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。
    public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) { 
        int var5;
        do { 
            var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
        } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));
    
        return var5;
    }

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## 4、CAS实现原子操作的三大问题 ##

### 4.1、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)));
    }

### 4.2、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。

### 4.3、只能保证一个共享变量的原子操作 ###

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。

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## 5、往期佳文 ##

### 5.1、面试系列 ###

1、[吊打面试官之一面自我介绍][Link 1]  
2、[吊打面试官之一面项目介绍][Link 2]  
3、[吊打面试官之一面系统架构设计][Link 3]  
4、[吊打面试官之一面你负责哪一块][Link 4]  
5、[吊打面试官之一面试官提问][Link 5]  
6、[吊打面试官之一面你有什么问题吗][Link 6]

······持续更新中······

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### 5.2、技术系列 ###

1、[吊打面试官之分布式会话][Link 7]  
2、[吊打面试官之分布式锁][Link 8]  
3、[吊打面试官之乐观锁][Link 9]  
4、[吊打面试官之幂等性问题][Link 10]  
5、[吊打面试关之分布式事务][Link 11]  
6、[吊打面试官之项目线上问题排查][Link 12]

······持续更新中······

### 5.3、源码系列 ###

1、[源码分析之SpringBoot启动流程原理][SpringBoot]  
2、[源码分析之SpringBoot自动装配原理][SpringBoot 1]  
3、[源码分析之ArrayList容器][ArrayList]  
4、[源码分析之LinkedList容器][LinkedList]  
5、[源码分析之HashMap容器][HashMap]  
6、[源码分析之ConcurrentHashMap容器][ConcurrentHashMap]  
7、[源码分析之五种Map容器的区别][Map]

······持续更新中······

### 5.4、数据结构和算法系列 ###

1、[数据结构之八大数据结构][Link 13]  
2、[数据结构之动态查找树（二叉查找树，平衡二叉树，红黑树）][Link 14]

······持续更新中······

### 5.5、多线程系列 ###

1、[并发系列之初识多线程][Link 15]  
2、[并发系列之JMM内存模型][JMM]  
3、[并发系列之synchronized解析][synchronized]  
4、[并发系列之volatile解析][volatile]  
5、[并发系列之synchronized与volatile的区别][synchronized_volatile]  
6、[并发系列之Lock解析][Lock]  
7、[并发系列之synchronized与lock的区别][synchronized_lock]

······持续更新中······

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[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3d0eWljeQ_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20221022/ff32e0a4c7aa4765ad5ec954ed34c668.png
[Link 1]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/114933478
[Link 2]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/114983053
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[Link 4]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/115064661
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[synchronized_lock]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/115536187