併發策略-CAS算法

對於併發控制而言，咱們平時用的鎖（synchronized，Lock）是一種悲觀的策略。它老是假設每一次臨界區操做會產生衝突，所以，必須對每次操做都當心翼翼。若是多個線程同時訪問臨界區資源，就寧肯犧牲性能讓線程進行等待，因此鎖會阻塞線程執行。

與之相對的有一種樂觀的策略，它會假設對資源的訪問是沒有衝突的。既然沒有衝突也就無需等待了，全部的線程都在不停頓的狀態下持續執行。那若是遇到問題了無鎖的策略使用一種叫作比較交換（CAS Compare And Swap）來鑑別線程衝突，一旦檢測到衝突產生，就重試當前操做直到沒有衝突。CAS算法是非阻塞的，它對死鎖問題天生免疫，並且它比基於鎖的方式擁有更優越的性能。

CAS算法的過程是這樣：它包含三個參數 CAS（V,E,N）。V表示要更新的變量，E表示預期的值，N表示新值。僅當V值等於E值時，纔會將V的值設置成N，不然什麼都不作。最後CAS返回當前V的值。CAS算法須要你額外給出一個指望值，也就是你認爲如今變量應該是什麼樣子，若是變量不是你想象的那樣，那說明已經被別人修改過。你就從新讀取，再次嘗試修改便可。

JDK併發包有一個atomic包，裏面實現了一些直接使用CAS操做的線程安全的類型。其中最經常使用的一個類應該就是AtomicInteger。咱們以此爲例來研究一下沒有鎖的狀況下如何作到線程安全。

private volatile int value;

這是AtomicInteger類的核心字段，表明當前實際取值，藉助volatile保證線程間數據的可見性。

獲取內部數據的方法：

public final int get() { 
    return value;
}

咱們從源碼的實現看看incrementAndGet()的內部實現　　

public final int incrementAndGet() {
    for (;;) {
        int current = get();
        int next = current + 1;
        if (compareAndSet(current, next))
            return next;
        }
}

代碼第二行使用了一個死循環，緣由是：
CAS的操做未必都是成功的，所以對於不成功的狀況，咱們就須要進行不斷的嘗試。
第三行取得當前值，接着+1獲得新值next。
這裏咱們使用CAS必需的兩個參數：指望值以及新值。
使用compareAndSet()將新值next寫入。成功的條件是在寫入的時刻當前的值應該要等於剛剛取到的current。若是不是這樣則說明AtomicInteger的值在第3行到第5行之間被其餘線程修改過了。當前看到的狀態是一個過時的狀態，所以返回失敗，須要進行下一次重試，直到成功爲止。

public final boolean compareAndSet(int expect, int update) { 
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}

總體的過程就是這樣子，利用CPU的CAS指令，同時藉助JNI來完成Java的非阻塞算法。其它原子操做都是利用相似的特性完成的。大概的邏輯應該是這樣：

if (this == expect) { 
    this = update return true;
} else { 
    return false;
}

CAS雖然能高效的解決原子問題，可是CAS也會帶來1個經典問題即ABA問題：

由於CAS須要在操做值的時候檢查下值有沒有發生變化，若是沒有發生變化則更新，可是若是一個值原來是A，變成了B，又變成了A，那麼使用CAS進行檢查時會發現它的值沒有發生變化，可是實際上卻變化了。

ABA問題的解決思路就是使用版本號。在變量前面追加上版本號，每次變量更新的時候把版本號加一，那麼A－B－A 就會變成1A-2B－3A。

從Java1.5開始JDK的atomic包裏提供了一個類AtomicStampedReference來解決ABA問題。這個類在內部不只維護了對象值，還維護了一個時間戳（能夠是任意的一個整數來表示狀態值）。當設置對象值時，對象值和狀態值都必須知足指望值纔會寫入成功。所以即便對象被反覆讀寫，寫會原值，只要狀態值發生變化，就能防止不恰當的寫入。　　

/**  
 * @param expectedReference 指望值  
 * @param newReference 寫入新值  
 * @param expectedStamp 指望狀態值  
 * @param newStamp 新狀態值  
 * @return true if successful  
 */  
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)));
    }

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