併發——詳細介紹CAS機制

1、前言

  今天花了點時間瞭解了一下JDK1.8中ConcurrentHashMap的實現，發現它實現的主要思想就是依賴於CAS機制。CAS機制是併發中比較重要的一個概念，因此今天這篇博客就來詳細介紹一下CAS機制以及Java中對CAS的適用。

2、正文

 2.1 樂觀鎖與悲觀鎖

  在講CAS以前，先來理解兩個概念，即樂觀鎖和悲觀鎖：

• 樂觀鎖：在併發下對數據進行修改時保持樂觀的態度，認爲在本身修改數據的過程當中，其餘線程不會對同一個數據進行修改，因此不對數據加鎖，可是會在最終更新數據前，判斷一下這個數據有沒有被修改，若沒有被修改，纔將它更新爲本身修改的值；
• 悲觀鎖：在併發下對數據進行修改時保持悲觀的態度，認爲在本身修改數據的過程當中，其餘線程也會對數據進行修改，因此在操做前會對數據加鎖，在操做完成後纔將鎖釋放，而在釋放鎖以前，其餘線程沒法操做數據；

  CAS其實就是樂觀鎖的一種實現方式，而悲觀鎖比較典型的就是Java中的synchronized。下面我就來詳細介紹一下CAS的相關概念。

 2.2 什麼是CAS？

  CAS全稱compare and swap——比較並替換，它是併發條件下修改數據的一種機制，包含三個操做數：

• 須要修改的數據的內存地址（V）；
• 對這個數據的舊預期值（A）；
• 須要將它修改成的值（B）；

  CAS的操做步驟以下：

1. 修改前記錄數據的內存地址V；
2. 讀取數據的當前的值，記錄爲A；
3. 修改數據的值變爲B；
4. 查看地址V下的值是否仍然爲A，若爲A，則用B替換它；若地址V下的值不爲A，表示在本身修改的過程當中，其餘的線程對數據進行了修改，則不更新變量的值，而是從新從步驟2開始執行，這被稱爲自旋；

  經過以上四個步驟對內存中的數據進行修改，就能夠保證數據修改的原子性。CAS是樂觀鎖的一種實現，因此這裏介紹的步驟和樂觀鎖的定義差很少，仍是很好理解的。

 2.3 Java中CAS的使用

  Java中大量使用的CAS，好比，在java.util.concurrent.atomic包下有不少的原子類，如AtomicInteger、AtomicBoolean......這些類提供對int、boolean等類型的原子操做，而底層就是經過CAS機制實現的。好比AtomicInteger類有一個實例方法，叫作incrementAndGet，這個方法就是將AtomicInteger對象記錄的值+1並返回，與i++相似。可是這是一個原子操做，不會像i++同樣，存在線程不一致問題，由於i++不是原子操做。好比以下代碼，最終必定可以保證num的值爲200：

// 聲明一個AtomicInteger對象
AtomicInteger num = new AtomicInteger(0);
// 線程1
new Thread(()->{
    for (int i = 0; i < 100; i++) {
        // num++
        num.incrementAndGet();
    }
}).start();
// 線程2
new Thread(()->{
    for (int i = 0; i < 100; i++) {
        // num++
        num.incrementAndGet();
    }
}).start();

Thread.sleep(1000);
System.out.println(num);

  咱們看看incrementAndGet方法的源碼：

public final int incrementAndGet() {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
}

  這裏使用了一個unsafe對象，而unsafe對象是什麼呢？咱們知道，Java並不能像C或C++同樣，直接操做內存，可是JVM爲咱們提供了一個後門，就是sun.misc.Unsafe類，這個類爲咱們實現了不少硬件級別的原子方法，固然，這些方法都是native方法，使用其餘語言實現，而不是Java方法。而上面的另一個變量valueOffset就是咱們須要修改的變量在內存中的偏移量。也許上面這個方法並不能讓你感受使用了CAS，那再看看下面這個方法：

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

  compareAndSet是AtomicInteger的另外一個方法，它的做用就是給定一個預期的舊值expect，以及須要更新爲的值update，若當前變量的值是expect，就將其修改成update，不然不修改（這不就是CAS的思想嗎）。而它底層調用了unsafe對象的compareAndSwapInt方法，從這個名字能夠看出，它的實現使用的就是CAS。compareAndSwapInt的三個參數valueOffset、expect以及update，恰好對應了CAS操做的三個操做數。

 2.4 CAS機制的ABA問題

  CAS機制雖然簡單，可是也存在一些缺陷，其中比較典型的就是ABA問題。什麼是ABA問題，我簡單介紹一下：

1. 假設有三個線程T1、T2和T3，它們都要對一個變量num的值進行修改，且使用的都是CAS機制進行同步，假設num的初始值爲100；
2. 線程T1首先讀取了num的值，將它記錄爲舊預期A1 = 100，而後它想要將num的值修改成80，記錄B2 = 80，在執行num = B2前，線程發生了切換，切換到線程T2；
3. 假設T2毫無阻礙地修改了num的值，將它從100修改成80，而後線程再度切換，T3開始執行；
4. T3也是毫無阻礙地修改了num，將它從80從新修改成100，線程再次切換回T1；
5. T1從上次運行的斷點恢復，也就是準備用B1的值覆蓋num，可是因爲CAS機制，它須要先檢測num的值是否等於它記錄的預期值A1，而後它發現A1 = num = 100，認爲num沒有被修改過，因而用B1覆蓋了num；

  上面這種狀況就是CAS的ABA問題：一個變量被修改，可是又被改了回去，在CAS機制中，將沒法察覺這種錯誤的現象。在線程T1被中斷的過程當中，num的值被修改，按照CAS的原則，T1應該放棄對num的修改，從頭開始執行。有人可能想問，修改回去以後，不就和沒修改同樣嗎，有什麼影響呢？乍一看確實如此，可是咱們考慮實際的應用場景，就會發現有些狀況下會出現問題，舉個簡單的例子：

小明去銀行取款，它的信用卡中有100元，他想要取出20，可是因爲系統異常，系統發起了兩個取款線程，一個對應上面的線程T1，一個對應線程T2，發生了和上面T一、T2如出一轍的狀況。假設在T1中斷的過程當中，小明的媽媽正好給他匯款20元，將T2修改的數據又復原了，錢又變回了100，對應上面的線程T3，此時將發生什麼狀況？線程T1和T2都會進行取錢操做，將100變成80，實際上總共扣了40元。可是，正確的狀況應該是，T1檢測到錢被修改過，就放棄修改，這樣纔不會形成錯誤。

  對於ABA問題的解決方案也很是簡單，那就是再添加一個變量——版本號。每一個變量都加上一個版本號，在它被修改時，也同步修改版本號，而CAS操做在修改前記錄版本號，若在最後更新變量時，記錄的版本號與當前版本號一致，表示沒有被修改，可直接更新。

 2.5 CAS的優缺點以及適用場景

 （1）優勢

  前面也提到過，CAS是一種樂觀鎖，其優勢就是不須要加鎖就能進行原子操做；

 （2）缺點

  CAS的缺點主有兩點：

• CAS機制只能用在對某一個變量進行原子操做，沒法用來保證多個變量或語句的原子性（synchronized能夠）；
• 假設在修改數據的過程當中常常與其餘線程修改衝突，將致使須要屢次的從新嘗試；

 （3）適用場景

  由上面分析的優缺點能夠看出，CAS適用於併發衝突發生頻率較低的場合，而對於併發衝突較頻繁的場合，CAS因爲不斷重試，反倒會下降效率。

3、總結

  CAS是一種在併發下實現原子操做的機制，可是隻能用來保證一個變量的原子性，適用於併發衝突頻率較低的場合。

4、參考

  推薦兩篇描述CAS的博客，這兩篇博客經過漫畫對CAS進行了很是詳細的描述：

• https://mp.weixin.qq.com/s/f9PYMnpAgS1gAQYPDuCq-w
• https://mp.weixin.qq.com/s/nRnQKhiSUrDKu3mz3vItWg