> 本文來源於微信公眾號【胖滾豬學程式設計】、轉載請註明出處 在漫畫併發程式設計系統博文中，我們講了N篇關於鎖的知識，確實，鎖是解決併發問題的萬能鑰匙，可是併發問題只有鎖能解決嗎？今天要出場一個大BOSS：CAS無鎖演算法，可謂是併發程式設計核心中的核心！  # 溫故 首先我們再回顧一下原子性問題的原因，參考[【漫畫】JAVA併發程式設計 如何解決原子性問題](https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzA3MjY1MTcyNw==&mid=2247484289&idx=1&sn=381562e6dccaa61eaa26b7301f162b5e&chksm=9f1a4521a86dcc3747f6dc986b16d6dc8d1f75434c0f56eb99ce9fbb8ebdfbaa85c33f11f740&token=23367173&lang=zh_CN#rd)。  兩個執行緒同時把count=0載入到自己的工作記憶體，執行緒B先執行count++操作，此時主記憶體已經變化成了1，但是**執行緒A依舊以為count=0，這是導致問題的根源**。 所以解決方案就是：**不能讓執行緒A以為count=0**，而是要和主記憶體進行一次**compare(比較)**，如果記憶體中的值是0，說明沒有其他執行緒更新過count值，那麼就**swap(交換)**，把新值寫回主記憶體。如果記憶體中的值不是0，比如本案例中，記憶體中count就已經被執行緒B更新成了1，比較0!=1，因此compare失敗，不把新值寫回主記憶體。  > 本文來源於微信公眾號【胖滾豬學程式設計】。一個集顏值與才華於一身的女程式媛、以漫畫形式讓程式設計so easy and interesting！轉載請註明出處 # CAS概念 CAS （compareAndSwap），中文叫比較交換，一種**無鎖原子演算法**。 **CAS演算法包含 3 個引數 CAS（V，E，N），V表示要更新變數在記憶體中的值，E表示舊的預期值，N表示新值。** **僅當 V值等於E值時，才會將V的值設為N**。 **如果V值和E值不同，則說明已經有其他執行緒做兩個更新，那麼當前執行緒不做更新，而是自旋。**  # 模擬CAS實現 既然我們瞭解了CAS的思想，那可以手寫一個簡單的CAS模型： ``` // count必須用volatile修飾 保證不同執行緒之間的可見性 private volatile static int count; public void addOne() { int newValue; do { newValue = count++; } while (!compareAndSwapInt(expectCount, newValue)); //自旋 迴圈 } public final boolean compareAndSwapInt(int expectCount, int newValue) { // 讀目前 count 的值 int curValue = count; // 比較目前 count 值是否 == 期望值 if (curValue == expectCount) { // 如果是，則更新 count 的值 count = newValue; return true; } //否則返回false 然後迴圈 return false; } ``` 這個簡單的模擬程式碼，其實基本上把CAS的思想體現出來了，但實際上CAS原理可要複雜很多哦，我們還是看看JAVA是怎麼實現CAS的吧！ # 原子類 要了解JAVA中CAS的實現，那不得不提到大名鼎鼎的原子類，原子類的使用非常簡單，而其中深奧的原理就是CAS無鎖演算法。 Java 併發包裡提供的原子類內容很豐富，我們可以將它們分為五個類別：**原子化的基本資料型別、原子化的物件引用型別、原子化陣列、原子化物件屬性更新器和原子化的累加器。**  原子類的使用可謂非常簡單，相信只要看一下api就知道如何使用，因此不過多解釋，如有需要可以參考本人github程式碼。 此處只以AtomicInteger為例子，測試一下原子類是否名副其實可以保證原子性： ``` private static AtomicInteger count = new AtomicInteger(0); private static int count1 = 0; //省略程式碼 同時啟動10個執行緒 分別測試AtomicInteger和普通int的輸出結果 private static void add10K() { int idx = 0; while (idx++ < 10000) { //使用incrementAndGet實現i++功能 count.incrementAndGet(); } countDownLatch.countDown(); } private static void add10K1() { int idx = 0; while (idx++ < 10000) { count1++; } countDownLatch.countDown(); } ``` 通過測試可以發現，使用AtomicInteger可以保證輸出結果為100000，而普通int則不能保證。 > 本文來源於微信公眾號【胖滾豬學程式設計】。一個集顏值與才華於一身的女程式媛、以漫畫形式讓程式設計so easy and interesting！轉載請註明出處 # CAS原始碼分析 據此，我們又可以迴歸正題，JAVA是怎麼實現CAS的呢？跟蹤一下AtomicInteger中的incrementAndGet()方法，相信就會有答案了。 首先關注一下AtomicInteger.java中這麼幾個東西： ``` private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe(); private static final long valueOffset;//資料在記憶體中的地址偏移量，通過偏移地址可以獲取資料原值 static { try { //計算變數 value 在類物件中的偏移量 valueOffset = unsafe.objectFieldOffset (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value")); } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); } } private volatile int value;//要修改的值 volatile保證可見性 public final int incrementAndGet() { return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1; } ``` Unsafe，是CAS的核心類，由於Java方法無法直接訪問底層系統，需要通過本地（native）方法來訪問，Unsafe相當於一個後門，基於該類可以直接操作特定記憶體的資料。 變數valueOffset，表示該變數值在記憶體中的偏移地址，因為Unsafe就是根據記憶體偏移地址獲取資料的。 變數value必須用volatile修飾，保證了多執行緒之間的記憶體可見性。 當然具體實現我們還是得瞧瞧getAndAddInt方法： ``` //內部使用自旋的方式進行CAS更新（while迴圈進行CAS更新，如果更新失敗，則迴圈再次重試） public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) { //var1為當前這個物件，如count.getAndIncrement()，則var1為count這個物件 //第二個引數為AtomicInteger物件value成員變數在記憶體中的偏移量 //第三個引數為要增加的值 int var5; do { //var5 獲取物件記憶體地址偏移量上的數值v 即預期舊值 var5 = this.getIntVolatile(var1, var2); } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));//迴圈判斷記憶體位置的值與預期原值是否相匹配 return var5; } ``` 此時我們還想繼續瞭解compareAndSwapInt的實現，點進去看，首先映入眼簾的是四個引數：1、當前的例項 2、例項變數的記憶體地址偏移量 3、預期的舊值 4、要更新的值 ``` public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5); ``` 還想繼續刨根問底，會發現點不動了。因為用native修飾的方法代表是底層方法，當然如果你非得一探究竟你也可以找找對應的unsafe.cpp 檔案進行深度解析C程式碼：   個人認為沒必要深究，畢竟術業有專攻，你只需要知道其實核心程式碼就是一條 **cmpxchg 指令**。 cmpxchg: 即“比較並交換”指令。與我們上面說的思想是一樣的：將 eax 暫存器中的值（compare_value）與 [edx] 雙字記憶體單元中的值進行對比，如果相同，則將 ecx 暫存器中的值（exchange_value）存入 [edx] 記憶體單元中。 總之：**你只需要記住：CAS是靠硬體實現的，從而在硬體層面提升效率。實現方式是基於硬體平臺的彙編指令，在intel的CPU中，使用的是cmpxchg指令。** 核心思想就是：**比較要更新變數的值V和預期值E（compare），相等才會將V的值設為新值N（swap）。** # CAS真有這麼好嗎？ CAS和鎖都解決了原子性問題，和鎖相比，由於其**非阻塞**的，它對死鎖問題天生免疫，並且，**執行緒間的相互影響也非常小**。更為重要的是，使用無鎖的方式完全**沒有鎖競爭帶來的系統開銷，也沒有執行緒間頻繁排程帶來的開銷**，因此，他要比基於鎖的方式擁有**更優越的效能**。 但是，CAS真的有那麼好嗎？又到挑刺時間了！ 要讓我們失望了，CAS並沒有那麼好，主要表現在三個方面： - 1、迴圈時間太長 - 2、只能保證一個共享變數原子操作 - 3、ABA問題。 **迴圈時間太長** 如果CAS長時間地不成功，我們知道會持續迴圈、自旋。必然會給CPU帶來非常大的開銷。在JUC中有些地方就限制了CAS自旋的次數，例如BlockingQueue的SynchronousQueue。 **只能保證一個共享變數原子操作** 看了CAS的實現就知道這隻能針對一個共享變數，如果是多個共享變數就只能使用鎖了，當然如果你有辦法把多個變數整成一個變數，利用CAS也不錯。例如讀寫鎖中state的高低位。 **ABA問題** 這可是個面試重點問題哦！認真聽好！ CAS需要檢查操作值有沒有發生改變，如果沒有發生改變則更新。但是存在這樣一種情況：如果一個值原來是A，變成了B，然後又變成了A，那麼在CAS檢查的時候會發現沒有改變，但是實質上它已經發生了改變，這就是所謂的ABA問題。 某些情況我們並不關心 ABA 問題，例如數值的原子遞增，但也不能所有情況下都不關心，例如原子化的更新物件很可能就需要關心 ABA 問題，因為兩個 A 雖然相等，但是第二個 A 的屬性可能已經發生變化了。 對於ABA問題其解決方案是加上版本號，即在每個變數都加上一個版本號，每次改變時加1，即A —> B —> A，變成1A —> 2B —> 3A。 **原子類之AtomicStampedReference可以解決ABA問題**，它內部不僅維護了物件值，還維護了一個Stamp（可把它理解為版本號，它使用整數來表示狀態值）。當AtomicStampedReference對應的數值被修改時，除了更新資料本身外，還必須要更新版本號。當AtomicStampedReference設定物件值時，物件值以及版本號都必須滿足期望值，寫入才會成功。因此，即使物件值被反覆讀寫，寫回原值，只要版本號發生變化，就能防止不恰當的寫入。 ``` // 引數依次為：期望值 寫入新值 期望版本號 新版本號 public boolean compareAndSet(V expectedReference, V newReference, int expectedStamp, int newStamp); //獲得當前物件引用 public V getReference(); //獲得當前版本號 public int getStamp(); //設定當前物件引用和版本號 public void set(V newReference, int newStamp); ``` 說理論太多也沒用，還是親自實驗它是否能解決ABA問題吧： ``` private static AtomicStampedR