Java併發之CAS與原子類實現原理講解

一、CAS是什麼？

CAS的全稱是Compare and Swap，即比較並交換。比較的是當前記憶體中儲存的值與預期原值，交換的是新值與記憶體中的值。這個操作是硬體層面的指令，因此能夠保證原子性。Java通過JNI（本地方法呼叫）來使用這個原子操作，也是樂觀鎖最常用的機制。

CAS操作包含三個運算元——記憶體位置、預期原值和新值。在執行CAS操作時，先進行Compare操作，即比較記憶體位置的值與預期原值是否相等，若相等，則執行Swap操作將新值放入該記憶體位置。若不相等，則不進行Swap操作。

這時你一定會想，為什麼要這樣做，預期值和原值究竟從哪來？

我將通過一個例子講解，下面先考慮一下併發情況下的自增操作即如何實現。

如果把自增直接寫成i++，那一定會出現併發問題，因為這不是原子操作，就不多說了。但是有了CAS操作之後，併發環境下的自增操作就可以很安全的實現了。下面來看一下如何藉助CAS原子操作實現自增操作，先看一段虛擬碼。

        //自旋直到CAS操作成功
        do{
            oldValue = getCurrent(addr);//在執行CAS之前獲取預期原值
            newValue = oldValue + 1;//根據預期原值做增加操作的到新值
        }while (!compareAndSwap(addr, oldValue, newValue));//執行CAS操作

（1）首先獲得預期原值，因為在自增情況下，新值是依賴於舊值的。

（2）通過計算得到新值。在這個過程中，可能有其他執行緒對該記憶體位置的值進行更新（自增），因為我們採用樂觀鎖的概念，並沒有對變數進行加鎖。

（3）再執行CAS操作。首先比較預期原值與當前記憶體位置的值是否相等。若相同，說明在這期間，沒有其他執行緒對該變數進行更新，沒有併發問題發生，則可以執行swap操作對舊值進行更新；若不同，則說明在這期間，有其他執行緒對變數進行了更新，當前的newValue其實是失效的，則要重新執行迴圈，即自旋，直至更新成功。

二、原子類AtomicInteger

原子類的自增、加法等操作底層都是通過自旋CAS操作實現的，其核心原理就是我上面寫的虛擬碼。

下面來看一下原始碼：

private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();//最重要的Unsafe類，其中有對底層CAS操作的封裝的方法
    private static final long valueOffset;//value相對於物件在記憶體中的偏移量，在執行CAS操作時需要用到
    static {//初始化求偏移量
        try {
            valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
                (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
        } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
    }

public final int getAndIncrement() {//自增操作
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);//呼叫Unsafe物件的方法
}

UnSafe類中的重要方法：

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

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

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

這些方法都是native的，是呼叫了底層作業系統的CAS指令。

三、CAS操作的缺點

1、ABA。value初值為A，執行緒1讀取到預期原值為A，執行緒2讀取到預期原值為A，執行緒1通過CAS操作將A更新為B，再通過一次CAS操作將值更新為A，此時執行緒2進行CAS操作，在比較時發現預期原值A與當前記憶體位置的值A相同，則進行更新，但是此時value已經被更新過了，而不是原來那個A值了，這樣會產生執行緒安全問題。但是現在也有解決方案，在Java API中有一個類為AtomicStampedReference，該類在記錄預期原值的同時還會記錄標誌，在比較時還會比較標誌。

2、自旋時間長的情況下會導致很大開銷，若JVM支援pause指令，則可以解決此問題。pause指令有兩個作用，第一是延遲流水線執行指令，使得CPU不會消耗太多執行時間；第二是避免在退出迴圈時因記憶體順序衝突而引起CPU流水線被清空。

四、CAS與volatile

在Java的concurrent包中，有一種通用的實現方式，即CAS配合volatile來實現許多高併發類。

一般情況下實現流程：

（1）宣告變數為volatile

（2）使用CAS條件更新來實現執行緒之間的同步。

（3）使用volatile變數的讀/寫和CAS所具有的volatile讀和寫的記憶體語義來實現執行緒之間的通訊。

Java併發包的框架如圖所示：

                            （圖片來自網路）