死磕Java——CAS

1、死磕Java——CAS

前面咱們說到volatile不保證原子性，解決辦法就是使用AtomicInteger代替int，可是爲何使用AtomicInteger就能夠保證了原子性了，是由於AtomicInteger實現的就是CAS思想和Unsafe的支持。

1.1.CAS是什麼

AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(5);
atomicInteger.compareAndSet(5, 10);
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CAS：即比較和交換（compareAndSet）,CAS的思想比較簡單就是三個值：當前內存值V，舊的預期值A，和要更新的值B，當且僅當內存值V等於預期值A，纔將內存值修改成B，並返回true，不然什麼都不作，返回false。下面就以atomicInteger.getAndIncrement();分析一下AtomicInteger使用的CAS思想。

1.2.CAS的原理

使用AtomicInteger

public static void main(String[] args) {
    AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(5);
    atomicInteger.compareAndSet(5, 10);
    atomicInteger.getAndIncrement();
}
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compareAndSet方法

public final int getAndIncrement() {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
}
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unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1)說明：

• this：表明當前對象，這裏就是外部new的atomicInteger對象；
• valueOffset：表明當前對象的內存地址。
• 1：就是加1。

private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
private static final long valueOffset;

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

private volatile int value;
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說明：

上述代碼就是根據對象的內存地址獲取當前內存的值，注意的是private volatile int value;添加了volatile關鍵字，因此，保證了可見性。

unsafe.getAndAddInt方法

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;
}
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說明：

• unsafe類是CAS的核心類，因爲Java沒法直接操做底層系統，只能經過native修飾的本地方法操做，基於unsafe類就能夠直接操做內存中的數據。
• getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4)中：Object var1：當前對象，long var2：當前對象的內存地址，int var4：須要更新的值，這裏就是1。
• var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);：就是取到當前對象的內存值；
• 假如如今存在兩個線程，跑在不一樣的cpu上，內存中atomicInteger的原始值爲5，兩個線程都拷貝一份到本身的工做內存中，
• 線程A經過getIntVolatile(var1, var2)拿到value值5，這時線程A被掛起。
• 線程B也經過getIntVolatile(var1, var2)方法獲取到value值5，線程B沒有被掛起，並執行compareAndSwapInt方法比較內存值也爲5，成功修改內存值爲10。
• 這時線程A恢復，執行compareAndSwapInt方法比較，發現本身手裏的值(5)和內存的值(10)不一致，說明該值已經被其它線程提早修改過了，那隻能從新來一遍了。
• 從新獲取value值，由於變量value被volatile修飾，因此其它線程對它的修改，線程A老是可以看到，線程A繼續執行compareAndSwapInt進行比較替換，直到成功。

1.3.CAS的缺點

前面的代碼分析中咱們知道getAndAddInt方法有一個do-while循環，若是CAS失敗，就會進行一直嘗試比較，若是很長時間都不成功，就會增長CPU的開銷。因此CAS的一個缺點就是循環時間長開銷大，因爲this表示的是當前對象，因此，存在另一個缺點就是只能保證一個共享變量的原子操做。最重要的缺點就是ABA問題。

1.3.1.什麼是ABA問題

前面分析CAS思想的時候，咱們知道一個線程會先獲取Value的值，比較和交換的時候再獲取內存的值和手裏的value進行比較，說的是若是一致就表示沒有被其餘線程修改過，而後就執行本身的交換操做，可是，若是，一個線程修改了，而後另外還有一個線程又修改會原來的值，這個時候一比較仍是同樣的，這就是ABA問題。簡單講就是狸貓換太子。若是業務中不關心中間操做，只在意開始和結尾是否一致就可，就沒必要要解決ABA 問題。

1.3.2.使用原子引用和版本機制解決ABA問題

在java.util.concurrent.atomic包下存在一個AtomicReference類，就是原子引用，CAS比較的只是內存中的值，如今增長一個版本號，比較值的同時再比較版本後是否一致。使用AtomicStampedReference帶時間戳的原子引用來解決ABA問題。

public static void main(String[] args) {
        AtomicStampedReference<Integer> reference = new AtomicStampedReference<>(10, 1);

        new Thread(() -> {
            int stamp = reference.getStamp();
            System.out.println("T1拿到的第一次的版本號：" + stamp);
            // 先暫停1秒，等T2線程拿到相同的初始版本號
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            reference.compareAndSet(10, 101, reference.getStamp(), reference.getStamp() + 1);
            System.out.println("T1線程第一次操做後的版本號爲："  + reference.getStamp());
            reference.compareAndSet(101, 10, reference.getStamp(), reference.getStamp() + 1);
            System.out.println("T1線程第二次操做後的版本號爲："  + reference.getStamp());
        }, "T1").start();

        new Thread(() -> {
            int stamp = reference.getStamp();
            System.out.println("T2拿到的第一次的版本號：" + stamp);
            // 先暫停3秒，等T1線程有充分的時候作一次ABA操做
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            boolean b = reference.compareAndSet(10, 2019, stamp, stamp + 1);
            System.out.println("當前內存中的最新值爲：" + reference.getReference());
            System.out.println("T2線程在T1線程執行完ABA問題後在執行的結果爲：" + b);
        }, "T2").start();

    }
複製代碼