Java線程(十)：CAS · Java線程

# Java線程(十)：CAS ## 前言在Java并發包中有這樣一個包，java.util.concurrent.atomic，該包是對Java部分數據類型的原子封裝，在原有數據類型的基礎上，提供了原子性的操作方法，保證了線程安全。下面以AtomicInteger為例，來看一下是如何實現的。 ~~~ public?final?int?incrementAndGet()?{?? ????for?(;;)?{?? ????????int?current?=?get();?? ????????int?next?=?current?+?1;?? ????????if?(compareAndSet(current,?next))?? ????????????return?next;?? ????}?? }?? ~~~ ~~~ public?final?int?decrementAndGet()?{?? ????for?(;;)?{?? ????????int?current?=?get();?? ????????int?next?=?current?-?1;?? ????????if?(compareAndSet(current,?next))?? ????????????return?next;?? ????}?? }?? ~~~ 以這兩個方法為例，incrementAndGet方法相當于原子性的++i，decrementAndGet方法相當于原子性的--i（根據[第一章](http://blog.csdn.net/ghsau/article/details/7421217)和[第二章](http://blog.csdn.net/ghsau/article/details/7424694)我們知道++i或--i不是一個原子性的操作），這兩個方法中都沒有使用阻塞式的方式來保證原子性（如Synchronized），那它們是如何保證原子性的呢，下面引出CAS。 ## Compare And Swap CAS 指的是現代 CPU 廣泛支持的一種對內存中的共享數據進行操作的一種特殊指令。這個指令會對內存中的共享數據做原子的讀寫操作。簡單介紹一下這個指令的操作過程：首先，CPU 會將內存中將要被更改的數據與期望的值做比較。然后，當這兩個值相等時，CPU 才會將內存中的數值替換為新的值。否則便不做操作。最后，CPU 會將舊的數值返回。這一系列的操作是原子的。它們雖然看似復雜，但卻是 Java 5 并發機制優于原有鎖機制的根本。簡單來說，CAS 的含義是“我認為原有的值應該是什么，如果是，則將原有的值更新為新值，否則不做修改，并告訴我原來的值是多少”。（這段描述引自《Java并發編程實踐》）簡單的來說，CAS有3個操作數，內存值V，舊的預期值A，要修改的新值B。**當且僅當預期值A和內存值V相同時，將內存值V修改為B，否則返回V**。這是一種樂觀鎖的思路，它相信在它修改之前，沒有其它線程去修改它；而Synchronized是一種悲觀鎖，它認為在它修改之前，一定會有其它線程去修改它，悲觀鎖效率很低。下面來看一下AtomicInteger是如何利用CAS實現原子性操作的。 ## volatile變量 ` private?volatile?int?value;??` 首先聲明了一個volatile變量value，在[第二章](http://blog.csdn.net/ghsau/article/details/7424694)我們知道volatile保證了變量的內存可見性，也就是所有工作線程中同一時刻都可以得到一致的值。 ~~~ public?final?int?get()?{?? ????return?value;?? }?? ~~~ ## Compare And Set ~~~ //?setup?to?use?Unsafe.compareAndSwapInt?for?updates?? private?static?final?Unsafe?unsafe?=?Unsafe.getUnsafe();?? private?static?final?long?valueOffset;//?注意是靜態的?? ?? static?{?? ??try?{?? ????valueOffset?=?unsafe.objectFieldOffset?? ????????(AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));//?反射出value屬性，獲取其在內存中的位置?? ??}?catch?(Exception?ex)?{?throw?new?Error(ex);?}?? }?? ?? public?final?boolean?compareAndSet(int?expect,?int?update)?{?? ??return?unsafe.compareAndSwapInt(this,?valueOffset,?expect,?update);?? }?? ~~~ 比較并設置，這里利用Unsafe類的JNI方法實現，使用CAS指令，可以保證讀-改-寫是一個原子操作。compareAndSwapInt有4個參數，this - 當前AtomicInteger對象，Offset - value屬性在內存中的位置(需要強調的是不是value值在內存中的位置)，expect - 預期值，update - 新值，根據上面的CAS操作過程，當內存中的value值等于expect值時，則將內存中的value值更新為update值，并返回true，否則返回false。在這里我們有必要對Unsafe有一個簡單點的認識，從名字上來看，不安全，確實，這個類是用于執行低級別的、不安全操作的方法集合，這個類中的方法大部分是對內存的直接操作，所以不安全，但當我們使用反射、并發包時，都間接的用到了Unsafe。 ## 循環設置現在在來看開篇提到的兩個方法，我們拿incrementAndGet來分析一下其實現過程。 ~~~ public?final?int?incrementAndGet()?{?? ????for?(;;)?{//?這樣優于while(true)?? ????????int?current?=?get();//?獲取當前值?? ????????int?next?=?current?+?1;//?設置更新值?? ????????if?(compareAndSet(current,?next))?? ????????????return?next;?? ????}?? }?? ~~~ 循環內，獲取當前值并設置更新值，調用compareAndSet進行CAS操作，如果成功就返回更新至，否則重試到成功為止。這里可能存在一個隱患，那就是循環時間過長，總是在當前線程compareAndSet時，有另一個線程設置了value(點子太背了)，這個當然是屬于小概率時間，目前Java貌似還不能處理這種情況。 ## 缺點雖然使用CAS可以實現非阻塞式的原子性操作，但是會產生ABA問題，關于ABA問題，計劃單拿出一章來整理。 (完)