引言
在介紹CAS之前背零，我們有必要先理解線程安全的三大特性
- 原子性: 對于涉及共享變量訪問的操作刹缝，該操作從其執(zhí)行線程以外的任意線程來看是不可分割的吧恃，從而可以讓各個線程依次串行訪問亩钟，但是原子性并不保證可見性
- 可見性: 修改共享變量時搓侄，立即將工作內(nèi)存中的值同步到主存中焙蚓，并使該修改對其他線程可見
- 有序性: 禁止讀取共享變量后的代碼纹冤、修改共享變量前的代碼重排序
CAS即compare and swap的縮寫，中文翻譯成比較并交換购公。是一種用于在多線程環(huán)境下實現(xiàn)同步功能的機制萌京。調(diào)用Java CAS需要三個操作數(shù)
- 內(nèi)存中值的內(nèi)存位置
- 預(yù)期值
- 新值
具體實現(xiàn)是通過值的內(nèi)存位置取到內(nèi)存中的值并與預(yù)期值比較，若相等宏浩，則將內(nèi)存位置處的值替換為新值知残，若不相等，則不做任何操作返回false比庄。如果大家有了解過悲觀鎖和樂觀鎖求妹，可以發(fā)現(xiàn)CAS其實是一種樂觀鎖的實現(xiàn)乏盐。
使用CAS的目的
對于實現(xiàn)線程安全，我們用的比較多的應(yīng)該是synchronized關(guān)鍵字制恍，synchronized其實是一種悲觀鎖父能，鎖被占用的情況會導(dǎo)致其它所有需要鎖的線程掛起，等待持有鎖的線程釋放鎖净神。CAS是一種樂觀鎖何吝，每次取數(shù)據(jù)都不會加鎖，更新的時候會進行數(shù)據(jù)比對鹃唯，有沖突的話則會自旋重試岔霸。可以看到在讀操作頻繁俯渤，更新頻率低呆细，沖突概率低的情況下，用CAS的話會更加合理八匠。當然JDK1.6之后絮爷，Java對synchronized關(guān)鍵字來了一大波優(yōu)化（自旋鎖，鎖消除梨树，鎖粗化坑夯，偏向鎖，輕量級鎖）抡四，一般情況下使用synchronized是非常穩(wěn)定的柜蜈。
CAS的底層實現(xiàn)
現(xiàn)在的CPU都是多核心的，多個核心通過總線來操作內(nèi)存指巡。那么這里就存在一個問題淑履，就是如果多個核心同時操作一塊內(nèi)存區(qū)域，會發(fā)生什么問題呢藻雪？是的秘噪，這里數(shù)據(jù)就會出現(xiàn)混亂。不過這里我們可以從intel的使用手冊中找到答案勉耀，對指令加lock前綴可以保證操作的原子性指煎，可見性以及有序性。好了便斥，底層的就不多說了至壤，我們直接去看一下java.util.concurrent.atomic包下的原子類 AtomicInteger的源碼實現(xiàn)
AtomicInteger源碼
public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
private static final long serialVersionUID = 6214790243416807050L;
// setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updates
private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
// value值的內(nèi)存位置
private static final long valueOffset;
static {
try {
// 獲取value的內(nèi)存位置
valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
(AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
} catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}
// value值 volatile 修飾 保證可見性
private volatile int value;
public AtomicInteger(int initialValue) {
value = initialValue;
}
public AtomicInteger() {
}
/**
* 獲取value在內(nèi)存中當前的值
*
* @return the current value
*/
public final int get() {
return value;
}
/**
* 比較并替換 實現(xiàn)在unsafe.compareAndSwapInt中
* @param expect 期望值
* @param update 新值
*/
public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}
/**
* 自增 實現(xiàn)在unsafe.getAndAddInt中
*/
public final int incrementAndGet() {
return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
}
}
- Unsafe.class
public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long valueOffset, int expected, int value);
/**
* 獲取當前值 并加1，返回的是加1前的值
*/
public final int getAndAddInt(Object o, long valueOffset, int addValue) {
int currentValue;
do {
currentValue = this.getIntVolatile(o, valueOffset);
// 比較當前內(nèi)存的值和預(yù)期值currentValue是否一致枢纠，一致的話則設(shè)置新值像街。但是因為當前內(nèi)存中的值有可能被其他線程修改，會有和預(yù)期值不一致的情況，所以這里會循環(huán)直到 compareAndSwapInt 返回成功為止宅广，這里的操作也稱為CAS自旋
} while(!this.compareAndSwapInt(o, valueOffset, currentValue, value + addValue));
return value;
}
AtomicInteger是Java對Integer類型原子性操作的實現(xiàn)葫掉，可以看到底層都是調(diào)用了CAS compareAndSwapIntnative方法。
這里主要看一下compareAndSwapInt(Object o, long valueOffset, int expect, int update)的四個參數(shù)
- o 當前操作的對象
- valueOffset 操作值所在的內(nèi)存位置
- expect 期望值
- update 新值
具體實現(xiàn)是將內(nèi)存位置處的數(shù)值與預(yù)期數(shù)值相比較跟狱，若相等俭厚，則將內(nèi)存位置處的值替換為新值。若不相等驶臊，則不做任何操作挪挤。
CAS自旋指的是替換新值失敗時會進入循環(huán)，重新獲取期望值关翎，直到期望值和內(nèi)存位置處的數(shù)值相等扛门。
CAS的問題
ABA問題
提到CAS存在的問題，就不得不提ABA問題纵寝，什么是ABA問題呢论寨？
舉個例子，A是個共享變量爽茴，原值是10葬凳，線程1從內(nèi)存中拿到了A，此時值為10室奏，當線程1要對變量A進行CAS操作前火焰，因為其他線程的操作，A從10變?yōu)榱?code>11胧沫，又從11變回了10昌简。此時線程1對變量A執(zhí)行CAS操作照道理應(yīng)該是要失敗的，但實際卻是成功的绒怨。這是因為經(jīng)過了上面的流程纯赎，在線程1看來，變量A沒有發(fā)生任何變化窖逗，所以它執(zhí)行CAS操作是會成功的址否。
要解決ABA問題餐蔬，通常的解決方案給對象加上版本號碎紊，每經(jīng)過一次CAS操作就更新一次版本號
總結(jié)
本文的目的主要是讓自己對java并發(fā)包的基礎(chǔ)CAS有個簡單的了解，以便進行后續(xù)的源碼分析
