Java 基本功 之 CAS
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前言
在Java併發程式設計中，我們經常使用鎖對競爭資源予以併發控制，以解決資源競爭的問題。但無論是使用 Lock 還是 Synchronized，隨著鎖機制的引入，就不可避免的帶來另一個問題，也就鎖與解鎖時的上下文切換，執行緒等待 等效能問題。現在回過頭來看，在有些場景中，是否真的需要引入鎖才能解決競爭資源共享問題？答案是否定的，在JDK原始碼中，也為我們實現了。就是今天要介紹的另外一種無鎖方案-CAS，它大量應用於JUC 包中，也是atomic包中各類的底層原理，其重要行可想而知。
CAS 簡介
CAS 全稱為：Compare And Swap (比較與替換)，其核心思想是：將記憶體值 Value 與期望值 A 進行比較，如果兩者相等，則將其設定為新值 B，否則不進行任何操作。CAS操作非常高效，在我看來，其原因有二，其一：底層呼叫的是 sun.misc.Unsafe 類，操作的是記憶體值，非常高效。其二：在多執行緒環境下，始終只有一個執行緒獲得執行權，未獲得執行權的執行緒並不會掛起而造成阻塞，而是以操作CAS失敗後再次執行CAS操作，直至成功，這一個過程，在Java中稱之為 “自旋”。
原始碼解析
Java 中 CAS 應用的十分廣泛，幕後英雄是sun.misc.Unsafe 類，單獨看Unsafe類的CAS操作可能有些茫然，以我們熟悉的 AtomicInteger 類中的 compareAndSet 方法為引子，再分析到 Unsafe類可能會更好些。
下面為AtomicInteger 類中compareAndSet 方法的原始碼，如下所述：
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public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update)} |
方法入參中 expect 為期望值， update 為待更新值。
繼續往下看，compareAndSet方法內部使用到的是Unsafe.compareAndSwapInt()方法，如下所述：
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public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5); |
方法入參有四個，其中：
- Object var1 為物件。
- long var2 為 var1 物件的記憶體地址。
- int var4 為 記憶體地址 中的期望值。
- var5 為 待更新的值。
在Unsafe類中，同類的方法有以下幾個：
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public final native boolean compareAndSwapObject(Object var1, long var2, Object var4, Object var5); public final native boolean compareAndSwapLong(Object var1, long var2, long var4, long var6); |
其實 Unsafe 類還給我們提供了一系列底層的API，由於篇幅原因，就不再展開說明，下次放單獨一篇文章中談談。
ABA 問題
在 CAS 中有一個特別經典的問題，也就是ABA。它說的是：記憶體值 Value 與期望值 A 進行比較前，Value已經發生過變化了，只不過是其變化後的值也為Value。從而造成從結果上看，其結果一致是一致的，（多發生於多執行緒條件下）當然這也是符合CAS 條件的。在大多數場景下，我們並不需要關心這種場景，在需要關心時，我們也可以使用JDK為我們提供了實現類 - AtomicStampedReference。在 AtomicStampedReference 類中，引入了標記位的概念，用於標記value值是否被修改過。結合value值 + 標記位是否一致，來判斷value值是否修改過。
其原始碼如下：
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public boolean compareAndSet(V expectedReference, // 期望引用物件
V newReference, // 新的引用物件
int expectedStamp, //期望標誌位
int newStamp) // 新的標識位
Pair<V> current = pair; // 獲取物件與標識引用對
return
expectedReference == current.reference && // 期望物件引用是否等於當前引用物件 (是否發生變化)
expectedStamp == current.stamp&& // 期望stamp 是否等於當前stamp
((newReference == current.reference && //新的引用物件是否等於當前引用物件，新的stamp是否等於當前stamp
newStamp == current.stamp) ||
casPair(current, Pair.of(newReference, newStamp))); //進行pair 的cas操作 |
其中 pair 為 物件引用與版本標記物件，其原始碼如下：
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private static class Pair<T> {
final T reference;
final int stamp;
private Pair(T reference, int stamp) {
this.reference = reference;
this.stamp = stamp;
}
static <T> Pair<T> of(T reference, int stamp) {
return new Pair<T>(reference, stamp);
}
} |
結語
在Java 中 CAS 應用的十分廣泛，包括但不限於：Atomic，synchorized 底層原理等等。但需要明確的是 CAS 的存在並不是用來替換 Lock 的，而是一種互補的關係。平常都在寫業務程式碼，沒有更深層次的檢視原始碼，當檢視原始碼時，卻又是一件趣事，蠻好的！
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