Java并发编程——CAS

CAS是什么？

• compare and swap
• 本质是一条CPU的原子指令，可以保证共享变量修改的原子性。

执行函数：CAS(V,E,N)

• 当且仅当内存地址V中的值等于 预期值E 时，将内存V中的值改为N，否则会进行自旋操作（一般情况 下），即不断的重试。

Java中对CAS的实现

• Java不能像C/C++那样直接操作内存区域，需要通过本地方法(native方法)来访问。JAVA中的CAS操作都 是通过sun包下Unsafe类实（sun.misc.Unsafe），而Unsafe类中的方法都是native方法。

//offset：内存偏移量，offset 为o对象所属类中，某个属性在类中的内存地址偏移量
public final native boolean compareAndSwapInt(Object o,long offset,int expected,int x);

• compareAndSwapInt在看openJDK8的源码中位置：
  • openjdk8/hotspot/src/share/vm/prims/unsafe.cpp

CAS缺陷

1. 自旋开销（循环时间太长）
   • 原子类AtomicInteger#getAndIncrement()的方法
2. 只能保证一个共享变量的原子操作
3. ABA问题
   • 如果一个值原来是A，变成了B，然后又变成了A，那么在CAS检查的时候会发现没有改变，但 是实质上它已经发生了改变，这就是所谓的ABA问题
   • 解决方案：加版本号（类似于乐观锁）。即 在每个变量绑定一个版本号，每次改变时加1，即A —> B —> A，变成1A —> 2B —> 3A。
     • 例如为了消除原子类AtomicInteger ar = new AtomicInteger(100);的ABA问题， 可以改用AtomicStampedReference<Integer> asr = new AtomicStampedReference<>(100, 1);

原子变量类

• java.util.concurrent.atomic包
  • 用法简单、性能高效、线程安全地更新一个变量的方式
  • 可以解决volatile原子性操作变量的问题
  • Atomic包里的类基本都是使用Unsafe实现的包装类

Atomic常用类

• 基本类型
  • AtomicInteger
  • AtomicLong
  • AtomicBoolean
• 引用类型
  • AtomicReference
  • AtomicStampedReference
  • AtomicMarkableReference
• 数组类型
  • AtomicIntegerArray
  • AtomicLongArray
  • AtomicReferenceArray
• 对象的属性修改类型
  • AtomicIntegerFieldUpdater
  • AtomicLongFieldUpdater
  • AtomicReferenceFieldUpdater

AtomicInteger主要API

• 1
  • get()：获取当前值
  • getAndAdd(int delta)：获取当前值，并加上预期的值
  • getAndSet(int newValue)：获取当前值，并设置新值
  • getAndIncrement()：获取当前值，并自增
  • getAndDecrement()：获取当前值，并自减
• 2
  • addAndGet(int delta)：加上预期的值，返回增加后的数据
  • incrementAndGet()：增加1，返回增加后的值
  • decrementAndGet()：减少1，返回减少后的值
  • lazySet(int newValue)：仅仅当get时才会set
• 3 compareAndSet(int expect, int update)：尝试新增后对比，若增加成功则返回true否则返回false

demo

public class Demo {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        VolatileDemo demo = new VolatileDemo();
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            Thread t = new Thread(demo);
            t.start();
        }
        Thread.sleep(1000);
        System.out.println("count = " + demo.count);
    }

    static class VolatileDemo implements Runnable {
        public AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);

        public void run() {
            addCount();
        }

        public void addCount() {
            for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                count.incrementAndGet();
            }
        }
    }
}