Java 基本功 之 CAS

本文首發於我的公衆號《andyqian》, 期待你的關注！

前言

  在Java併發編程中，咱們常常使用鎖對競爭資源予以併發控制，以解決資源競爭的問題。但不管是使用 Lock 仍是 Synchronized，隨着鎖機制的引入，就不可避免的帶來另外一個問題，也就鎖與解鎖時的上下文切換，線程等待 等性能問題。如今回過頭來看，在有些場景中，是否真的須要引入鎖才能解決競爭資源共享問題？答案是否認的，在JDK源碼中，也爲咱們實現了。就是今天要介紹的另一種無鎖方案-CAS，它大量應用於JUC 包中，也是atomic包中各種的底層原理，其重要行可想而知。

CAS 簡介

  CAS 全稱爲：Compare And Swap (比較與替換)，其核心思想是：將內存值 Value 與指望值 A 進行比較，若是二者相等，則將其設置爲新值 B，不然不進行任何操做。CAS操做很是高效，在我看來，其緣由有二，其一：底層調用的是 sun.misc.Unsafe 類，操做的是內存值，很是高效。其二：在多線程環境下，始終只有一個線程得到執行權，未得到執行權的線程並不會掛起而形成阻塞，而是以操做CAS失敗後再次執行CAS操做，直至成功，這一個過程，在Java中稱之爲 「自旋」。

源碼解析

  Java 中 CAS 應用的十分普遍，幕後英雄是sun.misc.Unsafe 類，單獨看Unsafe類的CAS操做可能有些茫然，以咱們熟悉的 AtomicInteger 類中的 compareAndSet 方法爲引子，再分析到 Unsafe類可能會更好些。

下面爲AtomicInteger 類中compareAndSet 方法的源碼，以下所述：

1 2	public final boolean compareAndSet(int expect, int update) { return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update)}

 

方法入參中 expect 爲指望值， update 爲待更新值。

繼續往下看，compareAndSet方法內部使用到的是Unsafe.compareAndSwapInt()方法，以下所述：

1	public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);

 

方法入參有四個，其中：

1. Object var1 爲對象。
2. long var2 爲 var1 對象的內存地址。
3. int var4 爲 內存地址 中的指望值。
4. var5 爲 待更新的值。

在Unsafe類中，同類的方法有如下幾個：

1 2 3

public final native boolean compareAndSwapObject(Object var1, long var2, Object var4, Object var5); public final native boolean compareAndSwapLong(Object var1, long var2, long var4, long var6);

其實 Unsafe 類還給咱們提供了一系列底層的API，因爲篇幅緣由，就再也不展開說明，下次放單獨一篇文章中談談。

ABA 問題

   在 CAS 中有一個特別經典的問題，也就是ABA。它說的是：內存值 Value 與指望值 A 進行比較前，Value已經發生過變化了，只不過是其變化後的值也爲Value。從而形成從結果上看，其結果一致是一致的，（多發生於多線程條件下）固然這也是符合CAS 條件的。在大多數場景下，咱們並不須要關心這種場景，在須要關心時，咱們也能夠使用JDK爲咱們提供了實現類 - AtomicStampedReference。在 AtomicStampedReference 類中，引入了標記位的概念，用於標記value值是否被修改過。結合value值 + 標記位是否一致，來判斷value值是否修改過。
其源碼以下：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

public boolean compareAndSet(V expectedReference, // 指望引用對象 V newReference, // 新的引用對象 int expectedStamp, //指望標誌位 int newStamp) // 新的標識位 Pair<V> current = pair; // 獲取對象與標識引用對 return expectedReference == current.reference && // 指望對象引用是否等於當前引用對象 (是否發生變化) expectedStamp == current.stamp&& // 指望stamp 是否等於當前stamp ((newReference == current.reference && //新的引用對象是否等於當前引用對象，新的stamp是否等於當前stamp newStamp == current.stamp) || casPair(current, Pair.of(newReference, newStamp))); //進行pair 的cas操做

 

其中 pair 爲 對象引用與版本標記對象，其源碼以下：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

private static class Pair<T> { final T reference; final int stamp; private Pair(T reference, int stamp) { this.reference = reference; this.stamp = stamp; } static <T> Pair<T> of(T reference, int stamp) { return new Pair<T>(reference, stamp); } }

 

結語

  在Java 中 CAS 應用的十分普遍，包括但不限於：Atomic，synchorized 底層原理等等。但須要明確的是 CAS 的存在並非用來替換 Lock 的，而是一種互補的關係。日常都在寫業務代碼，沒有更深層次的查看源碼，當查看源碼時，卻又是一件趣事，蠻好的！

 

---

相關閱讀：

1.《CORS跨域實踐》
2.《說說面試那些事》
3.《一個Java小細節！》
4.《記一個有趣的Java OOM！》

 掃碼關注，一塊兒進步

我的博客: http://www.andyqian.com