java CAS原理

1、CAS簡介

1. CAS是什麼？

     CAS全稱是Compare and Swap，即比較並交換，是經過原子指令來實現多線程的同步功能，將獲取存儲在內存地址的原值和指定的內存地址進行比較，只有當他們相等時，交換指定的預期值和內存中的值，這個操做是原子操做，若不相等，則從新獲取存儲在內存地址的原值。

2. CAS的流程

     CAS是一種無鎖算法，有3個關鍵操做數，內存地址，舊的內存中預期值，要更新的新值，當內存值和舊的內存中預期值相等時，將內存中的值更新爲新值。

3.樂觀鎖與悲觀鎖

     CAS屬於樂觀鎖，樂觀鎖就是每次不加鎖而是假設沒有衝突而去完成某項操做，若是由於衝突失敗就重試，直到成功爲止。
     synchronized是悲觀鎖，被一個線程拿到鎖以後，其餘線程必須等待該線程釋放鎖，性能較差

2、AtomicInteger代碼演示

     在java中，a++不是原子操做，一個簡單的a++操做涉及到三個操做，獲取變量a的內存值，將變量a+1，將新值寫入內存，這裏涉及到了兩次內存訪問，若是在多線程環境下，那麼會出現併發安全問題。
     AtomicInteger是一個原子操做類，內部採用的就是CAS無鎖算法。 這裏咱們分析一下它的內部實現。

AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);
atomicInteger.getAndSet(1);  
複製代碼

     這裏的靜態代碼塊AtomicInteger對象初始化以前就執行，獲取AtomicInteger對象value字段相對AtomicInteger對象的」起始地址」的偏移量，Java對象在內存中存儲的佈局能夠分爲三塊區域：對象頭（Header）、實例數據（Instance Data）和對齊填充（Padding），」起始地址」的偏移量便是對象頭的偏移量。

static {
    try {
        valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
            (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
    } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}
複製代碼

public final int getAndSet(int newValue) {
    return unsafe.getAndSetInt(this, valueOffset, newValue);
}
複製代碼

     每次經過內存地址(var2)先從內存中獲取內存中原值(var5)，再循環將內存中的原值(var5)與給定內存地址(var2)相比較，若是相等則更新指定預期值(var4)，若是不相等則再重試直到成功爲止，最後返回舊的內存原值var5。

//var1爲AtomicInteger對象，var2爲內存地址值，var4爲指定的預期值
public final int getAndSetInt(Object var1, long var2, int var4) {
    int var5;
    do {
	//unsafe.getIntVolatile調用本地方法獲取內存中值
        var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
    } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var4));

    return var5;
}
複製代碼

3、弊端

1. ABA問題

     CAS在操做的時候會檢查變量的值是否被更改過，若是沒有則更新值，可是帶來一個問題，最開始的值是A，接着變成B，最後又變成了A。通過檢查這個值確實沒有修改過，由於最後的值仍是A，可是實際上這個值確實已經被修改過了。爲了解決這個問題，在每次進行操做的時候加上一個版本號，每次操做的就是兩個值，一個版本號和某個值，A——>B——>A問題就變成了1A——>2B——>3A。在jdk中提供了AtomicStampedReference類解決ABA問題，用Pair這個內部類實現，包含兩個屬性，分別表明版本號和引用，在compareAndSet中先對當前引用進行檢查，再對版本號標誌進行檢查，只有所有相等才更新值。

2. 只能保證一個共享變量的原子操做

     多個共享變量操做時，循環CAS就沒法保證操做的原子性，這個時候就能夠用鎖。從java1.5開始，JDK提供了AtomicReference類來保證引用對象之間的原子性，就能夠把多個變量放在一個對象裏來進行CAS操做。

3. 循環時間長CPU開銷較大

     在併發量比較高的狀況下，若是許多線程反覆嘗試更新某一個變量，卻又一直更新不成功，循環往復，會給CPU帶來很大的壓力。

做者：陶章好
連接：juejin.im/post/5d63ea… 來源：掘金
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