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前言
CAS（Compare and Swap），即比較并替換容客，實現(xiàn)并發(fā)算法時常用到的一種技術(shù)秕铛，Doug lea大神在java同步器中大量使用了CAS技術(shù)，鬼斧神工的實現(xiàn)了多線程執(zhí)行的安全性缩挑。
CAS的思想很簡單：三個參數(shù)但两，一個當前內(nèi)存值V、舊的預(yù)期值A(chǔ)供置、即將更新的值B谨湘，當且僅當預(yù)期值A(chǔ)和內(nèi)存值V相同時，將內(nèi)存值修改為B并返回true芥丧，否則什么都不做紧阔，并返回false。
問題
一個n++的問題续担。
public class Case {
public volatile int n;
public void add() {
n++;
}
}
通過javap -verbose Case看看add方法的字節(jié)碼指令
public void add();
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=3, locals=1, args_size=1
0: aload_0
1: dup
2: getfield #2 // Field n:I
5: iconst_1
6: iadd
7: putfield #2 // Field n:I
10: return
n++被拆分成了幾個指令：
- 執(zhí)行
getfield拿到原始n擅耽； - 執(zhí)行
iadd進行加1操作； - 執(zhí)行
putfield寫把累加后的值寫回n物遇；
通過volatile修飾的變量可以保證線程之間的可見性乖仇，但并不能保證這3個指令的原子執(zhí)行，在多線程并發(fā)執(zhí)行下询兴，無法做到線程安全乃沙，得到正確的結(jié)果，那么應(yīng)該如何解決呢诗舰？
如何解決
在add方法加上synchronized修飾解決警儒。
public class Case {
public volatile int n;
public synchronized void add() {
n++;
}
}
這個方案當然可行，但是性能上差了點眶根，還有其它方案么蜀铲？
再來看一段代碼
public int a = 1;
public boolean compareAndSwapInt(int b) {
if (a == 1) {
a = b;
return true;
}
return false;
}
如果這段代碼在并發(fā)下執(zhí)行，會發(fā)生什么汛闸？
假設(shè)線程1和線程2都過了a==1的檢測蝙茶，都準備執(zhí)行對a進行賦值，結(jié)果就是兩個線程同時修改了變量a诸老，顯然這種結(jié)果是無法符合預(yù)期的隆夯，無法確定a的最終值。
解決方法也同樣暴力别伏，在compareAndSwapInt方法加鎖同步蹄衷，變成一個原子操作，同一時刻只有一個線程才能修改變量a厘肮。
除了低性能的加鎖方案愧口，我們還可以使用JDK自帶的CAS方案，在CAS中类茂，比較和替換是一組原子操作耍属，不會被外部打斷托嚣，且在性能上更占有優(yōu)勢。
下面以AtomicInteger的實現(xiàn)為例厚骗，分析一下CAS是如何實現(xiàn)的示启。
public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
// setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updates
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;
public final int get() {return value;}
}
- Unsafe，是CAS的核心類领舰，由于Java方法無法直接訪問底層系統(tǒng)夫嗓，需要通過本地（native）方法來訪問，Unsafe相當于一個后門冲秽，基于該類可以直接操作特定內(nèi)存的數(shù)據(jù)舍咖。
- 變量valueOffset，表示該變量值在內(nèi)存中的偏移地址锉桑，因為Unsafe就是根據(jù)內(nèi)存偏移地址獲取數(shù)據(jù)的排霉。
- 變量value用volatile修飾，保證了多線程之間的內(nèi)存可見性刨仑。
看看AtomicInteger如何實現(xiàn)并發(fā)下的累加操作：
public final int getAndAdd(int delta) {
return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta);
}
//unsafe.getAndAddInt
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;
}
假設(shè)線程A和線程B同時執(zhí)行g(shù)etAndAdd操作（分別跑在不同CPU上）：
- AtomicInteger里面的value原始值為3郑诺，即主內(nèi)存中AtomicInteger的value為3，根據(jù)Java內(nèi)存模型杉武，線程A和線程B各自持有一份value的副本辙诞，值為3。
- 線程A通過
getIntVolatile(var1, var2)拿到value值3轻抱，這時線程A被掛起飞涂。 - 線程B也通過
getIntVolatile(var1, var2)方法獲取到value值3，運氣好祈搜，線程B沒有被掛起较店，并執(zhí)行compareAndSwapInt方法比較內(nèi)存值也為3，成功修改內(nèi)存值為2容燕。 - 這時線程A恢復(fù)梁呈，執(zhí)行
compareAndSwapInt方法比較，發(fā)現(xiàn)自己手里的值(3)和內(nèi)存的值(2)不一致蘸秘，說明該值已經(jīng)被其它線程提前修改過了官卡，那只能重新來一遍了。 - 重新獲取value值醋虏，因為變量value被volatile修飾寻咒，所以其它線程對它的修改，線程A總是能夠看到颈嚼，線程A繼續(xù)執(zhí)行
compareAndSwapInt進行比較替換毛秘，直到成功。
整個過程中，利用CAS保證了對于value的修改的并發(fā)安全叫挟，繼續(xù)深入看看Unsafe類中的compareAndSwapInt方法實現(xiàn)艰匙。
public final native boolean compareAndSwapInt(Object paramObject, long paramLong, int paramInt1, int paramInt2);
Unsafe類中的compareAndSwapInt，是一個本地方法霞揉，該方法的實現(xiàn)位于unsafe.cpp中
UNSAFE_ENTRY(jboolean, Unsafe_CompareAndSwapInt(JNIEnv *env, jobject unsafe, jobject obj, jlong offset, jint e, jint x))
UnsafeWrapper("Unsafe_CompareAndSwapInt");
oop p = JNIHandles::resolve(obj);
jint* addr = (jint *) index_oop_from_field_offset_long(p, offset);
return (jint)(Atomic::cmpxchg(x, addr, e)) == e;
UNSAFE_END
- 先想辦法拿到變量value在內(nèi)存中的地址旬薯。
- 通過
Atomic::cmpxchg實現(xiàn)比較替換，其中參數(shù)x是即將更新的值适秩，參數(shù)e是原內(nèi)存的值。
如果是Linux的x86硕舆，Atomic::cmpxchg方法的實現(xiàn)如下：
inline jint Atomic::cmpxchg (jint exchange_value, volatile jint* dest, jint compare_value) {
int mp = os::is_MP();
__asm__ volatile (LOCK_IF_MP(%4) "cmpxchgl %1,(%3)"
: "=a" (exchange_value)
: "r" (exchange_value), "a" (compare_value), "r" (dest), "r" (mp)
: "cc", "memory");
return exchange_value;
}
看到這匯編秽荞，內(nèi)心崩潰 ??
__asm__表示匯編的開始
volatile表示禁止編譯器優(yōu)化
LOCK_IF_MP是個內(nèi)聯(lián)函數(shù)
#define LOCK_IF_MP(mp) "cmp $0, " #mp "; je 1f; lock; 1: "
Window的x86實現(xiàn)如下：
inline jint Atomic::cmpxchg (jint exchange_value, volatile jint* dest, jint compare_value) {
int mp = os::isMP(); //判斷是否是多處理器
_asm {
mov edx, dest
mov ecx, exchange_value
mov eax, compare_value
LOCK_IF_MP(mp)
cmpxchg dword ptr [edx], ecx
}
}
// Adding a lock prefix to an instruction on MP machine
// VC++ doesn't like the lock prefix to be on a single line
// so we can't insert a label after the lock prefix.
// By emitting a lock prefix, we can define a label after it.
#define LOCK_IF_MP(mp) __asm cmp mp, 0 \
__asm je L0 \
__asm _emit 0xF0 \
__asm L0:
LOCK_IF_MP根據(jù)當前系統(tǒng)是否為多核處理器決定是否為cmpxchg指令添加lock前綴。
- 如果是多處理器抚官，為cmpxchg指令添加lock前綴扬跋。
- 反之，就省略lock前綴凌节。（單處理器會不需要lock前綴提供的內(nèi)存屏障效果）
intel手冊對lock前綴的說明如下：
- 確保后續(xù)指令執(zhí)行的原子性钦听。
在Pentium及之前的處理器中，帶有l(wèi)ock前綴的指令在執(zhí)行期間會鎖住總線倍奢，使得其它處理器暫時無法通過總線訪問內(nèi)存朴上，很顯然，這個開銷很大卒煞。在新的處理器中痪宰，Intel使用緩存鎖定來保證指令執(zhí)行的原子性，緩存鎖定將大大降低lock前綴指令的執(zhí)行開銷畔裕。 - 禁止該指令與前面和后面的讀寫指令重排序衣撬。
- 把寫緩沖區(qū)的所有數(shù)據(jù)刷新到內(nèi)存中。
上面的第2點和第3點所具有的內(nèi)存屏障效果扮饶，保證了CAS同時具有volatile讀和volatile寫的內(nèi)存語義具练。
CAS缺點
CAS存在一個很明顯的問題，即ABA問題甜无。
問題：如果變量V初次讀取的時候是A扛点，并且在準備賦值的時候檢查到它仍然是A，那能說明它的值沒有被其他線程修改過了嗎毫蚓？
如果在這段期間曾經(jīng)被改成B占键，然后又改回A，那CAS操作就會誤認為它從來沒有被修改過元潘。針對這種情況畔乙，java并發(fā)包中提供了一個帶有標記的原子引用類AtomicStampedReference，它可以通過控制變量值的版本來保證CAS的正確性翩概。
