Java原子操作CAS原理解析

2024-09-29 21:35:04

一、CAS（Compare And Set）

Compare And Set（或Compare And Swap），CAS是解决多线程并行情况下使用锁造成性能损耗的一种机制，CAS操作包含三个操作数——内存位置（V）、预期原值（A）、新值(B)。如果内存位置的值与预期原值相匹配，那么处理器会自动将该位置值更新为新值。否则，处理器不做任何操作。无论哪种情况，它都会在CAS指令之前返回该位置的值。CAS有效地说明了“我认为位置V应该包含值A；如果包含该值，则将B放到这个位置；否则，不要更改该位置，只告诉我这个位置现在的值即可。

在java中可以通过锁和循环CAS的方式来实现原子操作。Java中 java.util.concurrent.atomic包相关类就是 CAS的实现，atomic包里包括以下类：

AtomicBoolean	可以用原子方式更新的 boolean 值。
AtomicInteger	可以用原子方式更新的 int 值。
AtomicIntegerArray	可以用原子方式更新其元素的 int 数组。
AtomicIntegerFieldUpdater	基于反射的实用工具，可以对指定类的指定 volatile int 字段进行原子更新。
AtomicLong	可以用原子方式更新的 long 值。
AtomicLongArray	可以用原子方式更新其元素的 long 数组。
AtomicLongFieldUpdater	基于反射的实用工具，可以对指定类的指定 volatile long 字段进行原子更新。
AtomicMarkableReference	AtomicMarkableReference 维护带有标记位的对象引用，可以原子方式对其进行更新。
AtomicReference	可以用原子方式更新的对象引用。
AtomicReferenceArray	可以用原子方式更新其元素的对象引用数组。
AtomicReferenceFieldUpdater<T,V>	基于反射的实用工具，可以对指定类的指定 volatile 字段进行原子更新。
AtomicStampedReference	AtomicStampedReference 维护带有整数“标志”的对象引用，可以用原子方式对其进行更新。

二、AtomicInteger

AtomicInteger可以用原子方式更新的 int 值。AtomicInteger 可用在应用程序中（如以原子方式增加的计数器），并且不能用于替换 Integer。但是，此类确实扩展了 Number，允许那些处理基于数字类的工具和实用工具进行统一访问。我们拿 AtomicInteger为例来学习下 CAS操作是如何实现的。

通常情况下，在 Java中，i++等类似操作并不是线程安全的，因为 i++可分为三个独立的操作：获取变量当前值，为该值+1，然后写回新的值。在没有额外资源可以利用的情况下，只能使用加锁才能保证读-改-写这三个操作时“原子性”的。但是利用加锁的方式来实现该功能的话，代码将非常复杂及难以维护，如：

synchronized (lock) {
  i++;
}

相关类中还需要增加 Object lock等额外标志，这样就带来了很多麻烦，增加了很多业务无关代码，给开发与维护带来了不便。
然而利用 atomic包中相关类型就可以很简单实现此操作，以下是一个计数程序实例：

public class Counter {
  private AtomicInteger ai = new AtomicInteger();
  private int i = 0;

  public static void main(String[] args) {
    final Counter cas = new Counter();
    List<Thread> threads = new ArrayList<Thread>();
    // 添加100个线程
    for (int j = 0; j < 100; j++) {
      threads.add(new Thread(new Runnable() {
        public void run() {
          // 执行100次计算，预期结果应该是10000
          for (int i = 0; i < 100; i++) {
            cas.count();
            cas.safeCount();
          }
        }
      }));
    }
    //开始执行
    for (Thread t : threads) {
      t.start();
    }
    // 等待所有线程执行完成
    for (Thread t : threads) {
      try {
        t.join();
      } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
      }
    }
    System.out.println("非线程安全计数结果："+cas.i);
    System.out.println("线程安全计数结果："+cas.ai.get());
  } 

  /** 使用CAS实现线程安全计数器 */
  private void safeCount() {
    for (;;) {
      int i = ai.get();
      // 如果当前值 == 预期值，则以原子方式将该值设置为给定的更新值
      boolean suc = ai.compareAndSet(i, ++i);
      if (suc) {
        break;
      }
    }
  }
  /** 非线程安全计数器 */
  private void count() {
    i++;
  }
}
/**
非线程安全计数结果：9942
线程安全计数结果：10000
*/

其中非线程安全计数器所计算的结果每次都不相同且不正确，而线程安全计数器计算的结果每次都是正确的。

三、存在的问题

CAS虽然很高效的解决原子操作，但是CAS仍然存在三大问题：ABA问题、循环时间长开销大、只能保证一个共享变量的原子操作。

ABA问题：因为CAS需要在操作值的时候检查下值有没有发生变化，如果没有发生变化则更新，但是如果一个值原来是A，变成了B，又变成了A，那么使用CAS进行检查时会发现它的值没有发生变化，但是实际上却变化了。ABA问题的解决思路就是使用版本号。在变量前面追加上版本号，每次变量更新的时候把版本号加一，那么A－B－A 就会变成1A-2B－3A。从Java1.5开始JDK的 atomic包里提供了一个类AtomicStampedReference 来解决ABA问题。这个类的 compareAndSet方法作用是首先检查当前引用是否等于预期引用，并且当前标志是否等于预期标志，如果全部相等，则以原子方式将该引用和该标志的值设置为给定的更新值。

循环时间长开销大：自旋CAS如果长时间不成功，会给CPU带来非常大的执行开销。如果JVM能支持处理器提供的pause指令那么效率会有一定的提升，pause指令有两个作用，第一它可以延迟流水线执行指令（de-pipeline）,使CPU不会消耗过多的执行资源，延迟的时间取决于具体实现的版本，在一些处理器上延迟时间是零。第二它可以避免在退出循环的时候因内存顺序冲突（memory order violation）而引起CPU流水线被清空（CPU pipeline flush），从而提高CPU的执行效率。　

只能保证一个共享变量的原子操作：当对一个共享变量执行操作时，我们可以使用循环CAS的方式来保证原子操作，但是对多个共享变量操作时，循环CAS就无法保证操作的原子性，这个时候就可以用锁，或者有一个取巧的办法，就是把多个共享变量合并成一个共享变量来操作。比如有两个共享变量i＝2,j=a，合并一下ij=2a，然后用CAS来操作ij。从Java1.5开始JDK提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性，你可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作。

以上就是本文的全部内容，希望对大家的学习有所帮助，也希望大家多多支持我们。

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