淺析CAS與AtomicInteger原子類
一：CAS簡介
CAS：Compare And Swap(字面意思是比較與交換)，JUC包中大量使用到了CAS，比如我們的atomic包下的原子類就是基於CAS來實現。區別於悲觀鎖synchronized，CAS是樂觀鎖的一種實現，在某些場合使用它可以提高我們的併發效能。
在CAS中，主要是涉及到三個運算元，所期盼的舊值、當前工作記憶體中的值、要更新的值，僅當所期盼的舊值等於當前值時，才會去更新新值。
二：CAS舉例
比如當如下場景，由於i++是個複合操作，讀取、自增、賦值三步操作，因此在多執行緒條件下我們需要保證i++操作的安全
public class CASTest {
int i = 0;
public void increment() {
i++;
}
}解決辦法有通過使用synchronized來解決，synchronized解決了併發程式設計的原子性，可見性，有序性。
public class CASTest {
int i = 0;
public synchronized void increment() {
i++;
}
}
但synchronized畢竟是悲觀鎖，儘管它後續進行了若干優化，引入了鎖的膨脹升級措施，但是還是存在膨脹為重量級鎖而導致阻塞問題，因此，我們可以使用基於CAS實現的原子類AtomicInteger來保證其原子性
public class CASTest {
AtomicInteger i = new AtomicInteger(0);
public static void increment() {
//自增並返回新值
i.incrementAndGet();
}
}三：CAS原理分析
atomic包下的原子類就是基於CAS實現的，我們拿AtomicInteger來分析下CAS.
public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
private static final long serialVersionUID = 6214790243416807050L;
// CAS操作是基於一個Unsafe類，Unsafe類是整個Concurrent包的基礎，裡面所有的函式都是native的
private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
//記憶體偏移量
private static final long valueOffset;
static {
try {
//初始化地址偏移量
valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
(AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
} catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}
//底層採用volatile修飾值，保證其可見性和有序性
private volatile int value;從AtomicInteger定義的相關屬性來看，其內部的操作都是基於Unsafe類，因為在Java中，我們並不能直接操作記憶體，但是Java還是開放了一個Unsafe類來給我們進行操作，顧名思義，Unsafe，是不安全的，因此要謹慎使用。
其內部定義的值是用volatiel進行修飾的，volatile可以保證有序性和可見性，具體為什麼可以保證就不在此闡述了。
再來看看其幾個核心的API
//以原子方式將值設定為給定的新值 expect：期望值 update：舊值
public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}
//以原子方式將當前值+1，返回期望值
public final int incrementAndGet() {
return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
}
//以原子方式將當前值-1，返回期望值
public final int decrementAndGet() {
return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, -1) - 1;
}
關於其原始碼還是很少的，基本都是基於Unsafe類進行實現的。
先來看看compareAndSet方法，其呼叫的是Unsafe的compareAndSwapInt方法，當工作記憶體中的值與所期盼的舊值不相同的時候，會更新失敗，舉例說明：
public class CASDemo {
public static void main(String[] args) {
AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(2020);
System.out.println("更新結果："+atomicInteger.compareAndSet(2020, 2021));
System.out.println("當前值為："+atomicInteger.get());
//自增加一
atomicInteger.getAndIncrement();
System.out.println("更新結果："+atomicInteger.compareAndSet(2020, 2021));
System.out.println("當前值為："+atomicInteger.get());
}
}
在來看看incrementAndGet方法，其呼叫的是unsafe.getAndAddInt方法,其就相當於是自旋鎖的實現，當所期盼的舊值與新值相同時才更新成功，否則就進行自旋操作直到更新成功為止。
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;
}
四：CAS缺點分析
CAS的優點很明顯，基於樂觀鎖的思想，提高了併發情況下的效能，缺點主要是ABA問題、自旋時間過長導致CPU佔有率過高、只能保證一個共享變數的原子性。
ABA問題
就是一個值由A變為B，在由B變為A，使用CAS操作無法感知到該種情況下出現的變化，帶來的後果很嚴重，比如銀行內部員工，從系統挪走一百萬，之後還了回來，系統感知不到豈不是要出事。模擬下出現ABA問題: public class ABA {
private static AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);
public static void main(String[] args) {
//執行緒t1實現0->1->0
Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
atomicInteger.compareAndSet(0,1);
atomicInteger.compareAndSet(1,0);
}
},"t1");
//執行緒t2實現0->100
Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
//模擬狸貓換太子行為
TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("更新結果："+atomicInteger.compareAndSet(0, 100));
}
});
t1.start();
t2.start();
}
}
執行結果是：true
解決ABA可以使每一次修改都帶上時間戳，以記錄版本號的形式來使的CAS感知到這種狸貓換太子的操作。Java提供了AtomicStampedReference類來解決，該類除了指定舊值與期盼值，還要指定舊的版本號與期盼的版本號
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)));
}
public class ABA_Test {
// 初始值100，版本號1
private static AtomicStampedReference<Integer> atomicStampedReference = new AtomicStampedReference<Integer>(100, 1);
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// AtomicStampedReference實現
Thread tsf1 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
// 讓 tsf2先獲取stamp，導致預期時間戳不一致
TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
// 預期引用：100，更新後的引用：110，預期標識getStamp() 更新後的標識getStamp() + 1
atomicStampedReference.compareAndSet(100, 110, atomicStampedReference.getStamp(),
atomicStampedReference.getStamp() + 1);
atomicStampedReference.compareAndSet(110, 100, atomicStampedReference.getStamp(),
atomicStampedReference.getStamp() + 1);
}
});
Thread tsf2 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
int stamp = atomicStampedReference.getStamp();
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(2); // 執行緒tsf1執行完
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(
"AtomicStampedReference:" + atomicStampedReference.compareAndSet(100, 120, stamp, stamp + 1));
}
});
tsf1.start();
tsf2.start();
}
}
執行結果:
自旋次數過長
CAS是基於樂觀鎖的思想實現的，當頻繁出現當前值與所舊預期值不相等的情況，會導致頻繁的自旋而使得浪費CPU資源。
只能保證單個共享變數的原子性
單純對共享變數進行CAS操作，只能保證單個，無法使多個共享變數同時進行原子操作。
參考資料
狂神說Java：www.bilibili.com/video/BV1B7…
CAS機制及AtomicInteger原始碼分析：juejin.im/post/5e2182…