經(jīng)過volatile和synchronize關(guān)鍵字的底層原理的洗禮，不知道你是否有一種感覺翔脱，要想弄明白它們的原理是一個(gè)非常難的過程。為什么費(fèi)這么大的力氣要弄明白這些并發(fā)基礎(chǔ)知識呢利诺？
其實(shí)是為了之后更好的掌握并發(fā)組件赞庶、并發(fā)集合這些內(nèi)容。JDK中的juc（并發(fā)包）的知識大體可以分為如下幾塊:
并發(fā)基礎(chǔ)中除了volatile眷蚓、synchronied鼻种、線程狀態(tài)變化之外，還有很重要的兩個(gè)知識CAS和AQS沙热。而其他并發(fā)組件和集合都是基于這些知識來實(shí)現(xiàn)的工具而已叉钥。
這一節(jié)我們通過Atomic類來學(xué)習(xí)下它的底層原理，實(shí)際它的底層通過CAS+volatile的原理來實(shí)現(xiàn)的篙贸。我們來具體看看：
- JDK中的CAS如何實(shí)現(xiàn)的投队？又是如何應(yīng)用在Atomic中的？
- CAS的自旋性能問題怎么優(yōu)化爵川？
- CAS的ABA問題怎么解決蛾洛？
在Java代碼中，CAS是如何應(yīng)用在Atomic中的雁芙？
<div class="output_wrapper" id="output_wrapper_id" style="width:fit-content;font-size: 16px; color: rgb(62, 62, 62); line-height: 1.6; word-spacing: 0px; letter-spacing: 0px; font-family: 'Helvetica Neue', Helvetica, 'Hiragino Sans GB', 'Microsoft YaHei', Arial, sans-serif;"><h3 id="hdddd" style="width:fit-content;line-height: inherit; margin: 1.5em 0px; font-weight: bold; font-size: 1.3em; margin-bottom: 2em; margin-right: 5px; padding: 8px 15px; letter-spacing: 2px; background-image: linear-gradient(to right bottom, rgb(43,48,70), rgb(43,48,70)); background-color: rgb(63, 81, 181); color: rgb(255, 255, 255); border-left: 10px solid rgb(255,204,0); border-radius: 5px; text-shadow: rgb(102, 102, 102) 1px 1px 1px; box-shadow: rgb(102, 102, 102) 1px 1px 2px;"><span style="font-size: inherit; color: inherit; line-height: inherit; margin: 0px; padding: 0px;">在Java代碼中轧膘，CAS是如何應(yīng)用在Atomic中的？</span></h3></div>
之前學(xué)習(xí)synchronized的時(shí)候兔甘，就接觸過CAS谎碍。CAS一般稱作Compare And Swap操作。操作流程如下：
上面CAS操作簡單描述可以如下：當(dāng)更新一個(gè)值從E->V時(shí)洞焙，更新的時(shí)候需要讀取E最新的值N蟆淀，如果發(fā)生了變化，也就是當(dāng)E!=N澡匪，就不會(huì)更新成功熔任，重新嘗試，否則更新值成功唁情，變?yōu)閂疑苔。
來看一個(gè)Demo：
private static AtomicInteger j = new AtomicInteger(0);
public static void main(String[] args) {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
new Thread(() -> {
System.out.println(AtomicIntegerDemo.j.incrementAndGet());
}).start();
}
}
這段程序有10個(gè)線程，它們可能同時(shí)更新J的值甸鸟。但是輸出結(jié)果是按順序輸出了0到10的數(shù)字惦费。這是因?yàn)樵贏tomicInteger底層兵迅，每個(gè)線程的更新都是CAS操作，它保證了多線程修改同一個(gè)值的原子性薪贫。
首先你可以先看一下AtomicInteger 整體脈絡(luò)：
根據(jù)之前分析源碼的思想恍箭，先脈絡(luò)后細(xì)節(jié)，你應(yīng)該可以看出瞧省，它核心脈絡(luò)就是一個(gè)Unsafe對象扯夭，int的value。如下
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;
}
核心變量：
- value是一個(gè)volatile的int值鞍匾。通過volatile的可見性勉抓，可以保證有一個(gè)線程更新了，其他線程可以得到最新值候学。
- valueOffset,類初始化的時(shí)候，來進(jìn)行執(zhí)行的纵散，valueOffset梳码，value這個(gè)字段在AtomicInteger這個(gè)類中的偏移量，在底層伍掀，這個(gè)類是有自己對應(yīng)的結(jié)構(gòu)的掰茶，無論是在磁盤的.class文件里，還是在JVM內(nèi)存中蜜笤。大概可以理解為：value這個(gè)字段具體是在AtomicInteger這個(gè)類的哪個(gè)位置濒蒋，offset，偏移量把兔，這個(gè)是很底層的操作沪伙，是通過unsafe來實(shí)現(xiàn)的。剛剛在類初始化的時(shí)候县好，就會(huì)完成這個(gè)操作的围橡，final的，一旦初始化完畢缕贡，就不會(huì)再變更了翁授。
- Usafe類，進(jìn)行真正CAS操作的類
當(dāng)通過new AtomicInteger(0)這句話創(chuàng)建的對象晾咪，實(shí)際是給value賦值了一個(gè)初始值0而已收擦。（int默認(rèn)就是0）
public AtomicInteger(int initialValue) {
value = initialValue;
}
現(xiàn)在你可以得到AtomicInteger的核心組件圖如下：
接著每個(gè)線程會(huì)調(diào)用incrementAndGet這個(gè)方法：
public final int incrementAndGet() {
return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
}
可以看到直接調(diào)用了Unsafe的getAndAddInt方法，如下：
public final int getAndAddInt(Object o, long offset, int delta) {
int v;
do {
v = getIntVolatile(o, offset);
} while (!compareAndSwapInt(o, offset, v, v + delta));
return v;
}
（可以下載OpenJDK源碼或訪問http://hg.openjdk.java.net/jdk/jdk/file/a1ee9743f4ee/jdk/src/share/classes/sun/misc/Unsafe.java）
上面這段代碼從脈絡(luò)上可以看出來谍倦，是經(jīng)典的CAS操作塞赂，首先通過一次volatile讀，讀到最新的v值昼蛀，之后再通過compareAndSwapInt這個(gè)方法减途，進(jìn)行CAS操作酣藻。如果CAS操作失敗，會(huì)返回false鳍置，while循環(huán)繼續(xù)執(zhí)行辽剧，進(jìn)行自旋，重新嘗試CAS操作税产。如果CAS更新操作成功怕轿，返回原值。
返回原值之后辟拷，incrementAndGet進(jìn)行了+1操作撞羽，incrementAndGet方法返回，就會(huì)的得到更新后的值衫冻。
如下圖所示：
在Java代碼層面诀紊，很多Atomic原子類底層核心的原理就是CAS，有人也把這種操作稱為無鎖化隅俘，樂觀鎖邻奠，自旋鎖之類的。（稱呼這種東西是用來交流的为居，大家能明白就好碌宴，不要太過較真）。
CAS操作每次嘗試修改的時(shí)候蒙畴，就對比一下贰镣，有沒有人修改過這個(gè)值，沒有人修改膳凝，自己就修改碑隆，如果有人修改過，就重新查出來最新的值蹬音，再次重復(fù)那個(gè)過程干跛。
而AtomicLong、AtomicLongArray祟绊、AtomicBoolean這些原子操作類和AtomicIneger底層是類似的楼入，都是通過Unsafe類來做到CAS操作的。
也正是這種操作牧抽，可以保證多線程更新的時(shí)候的原子性嘉熊，如下圖所示：
在JVM中的CAS如何實(shí)現(xiàn)的？
<div class="output_wrapper" id="output_wrapper_id" style="width:fit-content;font-size: 16px; color: rgb(62, 62, 62); line-height: 1.6; word-spacing: 0px; letter-spacing: 0px; font-family: 'Helvetica Neue', Helvetica, 'Hiragino Sans GB', 'Microsoft YaHei', Arial, sans-serif;"><h3 id="hdddd" style="width:fit-content;line-height: inherit; margin: 1.5em 0px; font-weight: bold; font-size: 1.3em; margin-bottom: 2em; margin-right: 5px; padding: 8px 15px; letter-spacing: 2px; background-image: linear-gradient(to right bottom, rgb(43,48,70), rgb(43,48,70)); background-color: rgb(63, 81, 181); color: rgb(255, 255, 255); border-left: 10px solid rgb(255,204,0); border-radius: 5px; text-shadow: rgb(102, 102, 102) 1px 1px 1px; box-shadow: rgb(102, 102, 102) 1px 1px 2px;"><span style="font-size: inherit; color: inherit; line-height: inherit; margin: 0px; padding: 0px;">在JVM中的CAS如何實(shí)現(xiàn)的扬舒？</span></h3></div>
具體的CAS操作方法都是native的方法阐肤，是通過C++的代碼實(shí)現(xiàn)的。
public native int getIntVolatile(Object o, long offset);
public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset,
int expected,
int x);
這就需要我們進(jìn)一步深入JVM來看下CAS是如何實(shí)現(xiàn)的。我給大家找到了對應(yīng)的C++代碼如下：
// unsafe.cpp
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
通過觀察孕惜，可以發(fā)現(xiàn)愧薛，核心的CAS操作是通過Atomic::cmpxchg(x, addr, e)這個(gè)方法實(shí)現(xiàn)的。這個(gè)方法從名字上cmpxchg就可以猜到是compare and exchange和compare and swap(CAS)是一個(gè)意思衫画。
但是你繼續(xù)跟蹤代碼會(huì)發(fā)現(xiàn)毫炉，這個(gè)Atomic::cmpxchg方法有很多實(shí)現(xiàn)。如下圖右側(cè)：
因?yàn)椴煌牟僮飨到y(tǒng)和CPU對應(yīng)的CAS指令可能有所不同削罩，所以有了不同的CAS實(shí)現(xiàn)瞄勾。
這里可以看一下atomic_linux_x86.inline.hpp 93行的這個(gè)實(shí)現(xiàn)方法。代碼如下：
#define LOCK_IF_MP(mp) "cmp $0, " #mp "; je 1f; lock; 1: "
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;
}
上面這段代碼其實(shí)就是CAS最底層的實(shí)現(xiàn)方式弥激。
首先通過is_MP 這個(gè)判斷表示是否是多核CPU處理的意思（Multi Processor ） 进陡。
接著如果是的話，asm表示匯編指令微服，發(fā)送一條原子性的匯編指令趾疚。也就是說CAS底層實(shí)際通過類似于lock cmpxchgl 這種匯編的指令，通知CPU進(jìn)行原子性的更新以蕴。這其實(shí)一個(gè)輕量的loc指令糙麦，可以讓CPU保證原子性的操作，所以說CAS是自旋鎖,是有道理的舒裤。
好了，到這里CAS在JVM層面的具體實(shí)現(xiàn)你應(yīng)該已經(jīng)了解了觉吭。接下來我們來看CAS的產(chǎn)生的兩個(gè)問題腾供。
CAS的自旋無限循環(huán)性能問題怎么優(yōu)化？
<div class="output_wrapper" id="output_wrapper_id" style="width:fit-content;font-size: 16px; color: rgb(62, 62, 62); line-height: 1.6; word-spacing: 0px; letter-spacing: 0px; font-family: 'Helvetica Neue', Helvetica, 'Hiragino Sans GB', 'Microsoft YaHei', Arial, sans-serif;"><h3 id="hdddd" style="width:fit-content;line-height: inherit; margin: 1.5em 0px; font-weight: bold; font-size: 1.3em; margin-bottom: 2em; margin-right: 5px; padding: 8px 15px; letter-spacing: 2px; background-image: linear-gradient(to right bottom, rgb(43,48,70), rgb(43,48,70)); background-color: rgb(63, 81, 181); color: rgb(255, 255, 255); border-left: 10px solid rgb(255,204,0); border-radius: 5px; text-shadow: rgb(102, 102, 102) 1px 1px 1px; box-shadow: rgb(102, 102, 102) 1px 1px 2px;"><span style="font-size: inherit; color: inherit; line-height: inherit; margin: 0px; padding: 0px;">CAS的自旋無限循環(huán)性能問題怎么優(yōu)化鲜滩？</span></h3></div>
不知道大家想到過沒伴鳖，CAS操作有一個(gè)很大的問題，如果在高并發(fā)徙硅，多線程更新的時(shí)候榜聂，會(huì)造成大量線程進(jìn)行自旋，消耗CPU資源嗓蘑。這樣的性能是很不好的（當(dāng)然比synchronized還是要好很多的）须肆。
為了解決這一個(gè)問題，Java 8提供的一個(gè)對AtomicLong改進(jìn)后的一個(gè)類桩皿，LongAdder豌汇。它具備一個(gè)分段CAS的原子操作類。讓我們來看一下它的分段CAS優(yōu)化的思想
什么叫分段CAS,或者說是分段遷移呢泄隔？
意思就是拒贱，當(dāng)某一個(gè)線程如果對一個(gè)值更新是，可以看對這個(gè)值進(jìn)行分段更新，每一段叫做一個(gè)Cell逻澳，在更新每一個(gè)Cell的時(shí)候闸天，發(fā)現(xiàn)說出現(xiàn)了很難更新它的值，出現(xiàn)了多次 CAS失敗了斜做，自旋的時(shí)候苞氮，進(jìn)行自動(dòng)遷移段，它會(huì)去嘗試更新別的分段Cell的值陨享，這樣的話就可以讓一個(gè)線程不會(huì)盲目的CAS自旋等待一個(gè)更新分段cell的值葱淳。
LongAdder正是基于這個(gè)思想來實(shí)現(xiàn)的∨坠茫基本原理如下圖所示：
LongAdder先嘗試一次cas更新赞厕，如果失敗會(huì)轉(zhuǎn)而通過Cell[]的方式更新值，如果計(jì)算index的方式足夠散列定硝，那么在并發(fā)量大的情況下皿桑，多個(gè)線程定位到同一個(gè)cell的概率也就越低，這有點(diǎn)類似于分段鎖的意思蔬啡。
但是要注意的是sum方法在并發(fā)情況下sum的值不精確诲侮，reset方法不是線程安全的。
public void reset() {
Cell[] as = cells; Cell a;
base = 0L;
if (as != null) {
for (int i = 0; i < as.length; ++i) {
if ((a = as[i]) != null)
a.value = 0L;
}
}
}
public long sum() {
Cell[] as = cells; Cell a;
long sum = base;
if (as != null) {
for (int i = 0; i < as.length; ++i) {
if ((a = as[i]) != null)
sum += a.value;
}
}
return sum;
}
關(guān)于sum不精確
sum方法的實(shí)現(xiàn)很簡單箱蟆，其實(shí)就是 base + sum(cells)沟绪。由上述源碼可以發(fā)現(xiàn)，sum執(zhí)行時(shí)空猜，最終返回的是sum局部變量绽慈，初始被復(fù)制為base，而最終返回時(shí)辈毯，很可能base已經(jīng)被更新了坝疼，而此時(shí)局部變量sum不會(huì)更新，造成不一致谆沃。其次钝凶，這里對cell的讀取也無法保證是最后一次寫入的值。
所以唁影，sum方法在沒有并發(fā)的情況下耕陷，可以獲得正確的結(jié)果。
關(guān)于reset不線程安全
因?yàn)閞eset方法并不是原子操作据沈，它先將base重置成0攻人，假設(shè)此時(shí)CPU切走執(zhí)行sum傻昙，此時(shí)的sum就變成了減去base后的值。也就是說，在并發(fā)量大的情況下李剖，執(zhí)行完此方法并不能保證其他線程看到的是重置后的結(jié)果。所以要慎用。
在實(shí)際工作中，可根據(jù)LongAdder和AtomicLong的特點(diǎn)來使用這兩個(gè)工具肿嘲。 當(dāng)需要在高并發(fā)下有較好的性能表現(xiàn)，且對值的精確度要求不高時(shí)筑公，可以使用LongAdder（例如網(wǎng)站訪問人數(shù)計(jì)數(shù)）雳窟。 當(dāng)需要保證線程安全，可允許一些性能損耗匣屡，要求高精度時(shí)封救，可以使用AtomicLong。LongAdder捣作，替代AtomicLong,完全可以對心跳計(jì)數(shù)器來使用LongAdder誉结。
CAS的ABA問題怎么解決？
<div class="output_wrapper" id="output_wrapper_id" style="width:fit-content;font-size: 16px; color: rgb(62, 62, 62); line-height: 1.6; word-spacing: 0px; letter-spacing: 0px; font-family: 'Helvetica Neue', Helvetica, 'Hiragino Sans GB', 'Microsoft YaHei', Arial, sans-serif;"><h3 id="hdddd" style="width:fit-content;line-height: inherit; margin: 1.5em 0px; font-weight: bold; font-size: 1.3em; margin-bottom: 2em; margin-right: 5px; padding: 8px 15px; letter-spacing: 2px; background-image: linear-gradient(to right bottom, rgb(43,48,70), rgb(43,48,70)); background-color: rgb(63, 81, 181); color: rgb(255, 255, 255); border-left: 10px solid rgb(255,204,0); border-radius: 5px; text-shadow: rgb(102, 102, 102) 1px 1px 1px; box-shadow: rgb(102, 102, 102) 1px 1px 2px;"><span style="font-size: inherit; color: inherit; line-height: inherit; margin: 0px; padding: 0px;">CAS的ABA問題怎么解決券躁？</span></h3></div>
最后我們聊一下CAS產(chǎn)生的ABA問題惩坑。
什么是ABA問題？
如果某個(gè)值一開始是A也拜，后來變成了B以舒，然后又變成了A，你本來期望的是值如果是第一個(gè)A才會(huì)設(shè)置新值慢哈，結(jié)果第二個(gè)A一比較也ok蔓钟，也設(shè)置了新值，跟期望是不符合的卵贱。
怎么解決呢滥沫？
解決辦法也很簡單：加一個(gè)類似于版本號的東西，比如郵戳int stamp之類的艰赞。記錄更新的次數(shù)即可佣谐，比較的時(shí)候不光比較value也要比較郵戳肚吏。
所以atomic包里有AtomicStampedReference類方妖，就是會(huì)比較兩個(gè)值的引用是否一致，如果一致罚攀，才會(huì)設(shè)置新值
你可以自己研究一下它的的源碼党觅。它CAS核心代碼如下：
// AtomicStampedReference
public boolean compareAndSet(V expectedReference,
V newReference,
int expectedStamp,
int newStamp) {
Pair<V> current = pair;
return
expectedReference == current.reference &&
expectedStamp == current.stamp &&
((newReference == current.reference &&
newStamp == current.stamp) ||
casPair(current, Pair.of(newReference, newStamp)));
}
private boolean casPair(Pair<V> cmp, Pair<V> val) {
return UNSAFE.compareAndSwapObject(this, pairOffset, cmp, val);
}
最后還要說明的一點(diǎn)，就是Atomic類不能保證多變量原子問題斋泄，一般的AtomicInteger杯瞻，只能保證一個(gè)變量的原子性。
但是如果多個(gè)變量炫掐？你可以用AtomicReference魁莉，這個(gè)是封裝自定義對象的，多個(gè)變量可以放一個(gè)自定義對象里，然后他會(huì)檢查這個(gè)對象的引用是不是一個(gè)旗唁。（注意對象中的變量如果不是Atomic,操作的時(shí)候不保證原子性畦浓，只能保證操作AtomicReference泛型對應(yīng)的這個(gè)對象的引用時(shí)是原子的。）
小結(jié)
<div class="output_wrapper" id="output_wrapper_id" style="width:fit-content;font-size: 16px; color: rgb(62, 62, 62); line-height: 1.6; word-spacing: 0px; letter-spacing: 0px; font-family: 'Helvetica Neue', Helvetica, 'Hiragino Sans GB', 'Microsoft YaHei', Arial, sans-serif;"><h3 id="hdddd" style="width:fit-content;line-height: inherit; margin: 1.5em 0px; font-weight: bold; font-size: 1.3em; margin-bottom: 2em; margin-right: 5px; padding: 8px 15px; letter-spacing: 2px; background-image: linear-gradient(to right bottom, rgb(43,48,70), rgb(43,48,70)); background-color: rgb(63, 81, 181); color: rgb(255, 255, 255); border-left: 10px solid rgb(255,204,0); border-radius: 5px; text-shadow: rgb(102, 102, 102) 1px 1px 1px; box-shadow: rgb(102, 102, 102) 1px 1px 2px;"><span style="font-size: inherit; color: inherit; line-height: inherit; margin: 0px; padding: 0px;">小結(jié)</span></h3></div>
今天检疫，了解Atomic的類讶请。這里給大家小結(jié)下Atomic類底層原理都是CAS，原理都是類似的屎媳。主要分為如下幾類：
1夺溢、AtomicInteger/AtomicLong/AtomicBoolean/AtomicReference是關(guān)于對變量的原子CAS更新。
2烛谊、AtomicIntegerArray/AtomicLongArray/AtomicReferenceArray是關(guān)于對數(shù)組的原子CAS更新风响。
3、AtomicIntegerFieldUpdater<T>/AtomicLongFieldUpdater<T>/AtomicReferenceFieldUpdater<T,V>是基于反射的CAS原子更新某個(gè)類的字段晒来。
學(xué)完這一節(jié)你應(yīng)該掌握了如下知識
- CAS的java層面原理（Unsafe+volatile value）
- CAS的JVM層面（C++/CPU匯編指令lock cmpxchgl前綴指令）
- ABA問題钞诡、無限循環(huán)性能問題、多變量原子更新問題
- 分段遷移CAS思想湃崩、郵戳版本號思想荧降、原子引用思想
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