Java CAS操作

通过前面的学习认识到了CPU缓存，Java内存模型，以及线程安全的原子、可见、顺序三大特性。本文则重点认识CAS操作，这是Java并发编程常见的一个操作，AbstractQueuedSynchronizer基于此操作提供了丰富的同步器和各种锁。

CAS（CompareAndSwap）操作

• 用于实现多线程同步的原子指令，非阻塞算法，是由CPU硬件实现的（x86下cmpxchg指令;arm下LL/SC指令），无需用到内核的同步原语来实现

CAS通过调用JNI(java native interface)的代码来操作底层指令来实现。

• Unsafe: compareAndSwap

public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);

• jdk8u: unsafe.cpp

cmpxchg = compare and exchange

• jdk8u atomic_linux_x86.inline.hpp

is_MP = Multi Processor

多CPU情况下会加上Lock（Lock是确保原子性的）

结论：cmpxchg = cas修改变量值， lock cmpxchg 指令；硬件层面：lcok指令在执行后面指令的时候会锁定一个北桥芯片（确保只有一个CPU访问内存）

• 乐观锁（无锁的乐观机制）

CAS 的缺点

1. 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

（取出内存中某时刻的数据并在当下时刻比较并替换，那么在这个时间差异类会导致数据的变化，内存是变化过的，有中间这个过程）

2. 自旋问题。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

3. 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

4. 不公平的锁机制：处于阻塞状态的线程，无法立即竞争被释放的锁；而处于自旋状态的线程，很有可能优先获得锁。即CAS无法实现公平锁机制，而Lock体系可以。

AtomicInteger 使用 volatile + CAS（保证线程安全）

AtomicInteger内部维持着一个volatile的全局变量，且各方法是基于CAS操作，确保是线程安全的

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {private static final long serialVersionUID = 6214790243416807050L;// setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updatesprivate 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;/*** Creates a new AtomicInteger with the given initial value.** @param initialValue the initial value*/public AtomicInteger(int initialValue) {value = initialValue;}/*** Creates a new AtomicInteger with initial value {@code 0}.*/public AtomicInteger() {}

AtomicInteger使用例子

package com.mb;import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.Date;
import java.util.Random;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;public class Main {static SimpleDateFormat ft = new SimpleDateFormat ("yyyy.MM.dd HH:mm:ss SSS");public static int num = 0;public static AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);public static void atomicAdd() {atomicInteger.incrementAndGet();}public static void add() {num++;}public synchronized static void addSync() {num++;}private final static int N = 30;public static void main(String[] args) throws Exception {Thread[] threads = new Thread[N];System.out.println(ft.format(new Date()));for(int i=0;i<N;i++){threads[i] = new Thread(()->{try{TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(new Random().nextInt(10));int addCnt = 100;for(int j=0;j<addCnt;j++){
//                       addSync();atomicAdd();}}catch (Exception e){e.printStackTrace();}});threads[i].start();}for(int i=0;i<N;i++) {threads[i].join();}System.out.println(ft.format(new Date()));
//        System.out.println("num:" + num);System.out.println("num:" + atomicInteger);}}
/*output
3000 (因为是原子操作)
*/

incrementAndGet()

public final int incrementAndGet() {return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
}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;
}public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);

unsafe 的一些方法

Unsafe提供了一些低层次操作，如直接内存访问、线程调度等(不安全，不推荐)

unsafe.objectFieldOffset()

private static Unsafe unsafe = null;
private static long valueOffset;static {try{Class<?> clazz = Unsafe.class;Field f;f = clazz.getDeclaredField("theUnsafe");f.setAccessible(true);unsafe = (Unsafe) f.get(clazz);valueOffset = unsafe.objectFieldOffset(Main.class.getDeclaredField("value"));} catch (IllegalAccessException e) {e.printStackTrace();}catch (SecurityException e) {e.printStackTrace();} catch (NoSuchFieldException e) {e.printStackTrace();}
}

JVM的实现可以自由选择如何实现Java对象的"布局"，也就是在内存里Java对象的各个部分放在哪里，包括对象的实例字段和一些元数据之类。sun.misc.Unsafe里关于对象字段访问的方法把对象布局抽象出来，它提供了objectFieldOffset()方法用于获取某个字段相对Java对象的“起始地址”的偏移量，也提供了getInt、getLong、getObject之类的方法可以使用前面获取的偏移量来访问某个Java对象的某个字段

compareAndSwapInt

public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);

即:

boolean compareAndSwapInt(Object obj,long fieldoffset, int expect, int update);
内存值V、旧的预期值A、要修改的值B
当且仅当预期值A和内存值V相同时，将内存值修改为B并返回true，否则什么都不做并返回false。

即 当要修改obj对象的（fieldoffset）Int属性值与expect相同时,则修改（fieldoffset）Int为update，并返回true,否则什么都不做，返回false

getIntVolatile

public native int getIntVolatile(Object var1, long var2);

getIntVolatile方法用于在对象指定偏移地址处volatile读取一个int。

unsafe线程安全操作例子程序

public class Main {private static Unsafe unsafe = null;private static long valueOffset;static {try{Class<?> clazz = Unsafe.class;Field f;f = clazz.getDeclaredField("theUnsafe");f.setAccessible(true);unsafe = (Unsafe) f.get(clazz);valueOffset = unsafe.objectFieldOffset(Main.class.getDeclaredField("value"));} catch (IllegalAccessException e) {e.printStackTrace();}catch (SecurityException e) {e.printStackTrace();} catch (NoSuchFieldException e) {e.printStackTrace();}}private volatile int value;public final int get() {return value;}public final void set(int newValue) {value = newValue;}public void addAndIncrease() {int var5;do {var5 = unsafe.getIntVolatile(this, valueOffset);} while(!unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, var5, var5 + 1));}public void add() {value ++;}public synchronized void addSync() {value ++;}private final static int N = 30;public static void main(String[] args) throws Exception {Main m = new Main();m.set(2);Thread[] threads = new Thread[N];for(int i=0;i<N;i++){threads[i] = new Thread(()->{try{TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(new Random().nextInt(10));int addCnt = 100;for(int j=0;j<addCnt;j++){
//                        m.add();
//                        m.addSync();m.addAndIncrease();}}catch (Exception e){e.printStackTrace();}});threads[i].start();}for(int i=0;i<N;i++) {threads[i].join();}System.out.println("value:" + m.get());}}

原子引用（AtomicReference）

对对象进行原子操作,提供了一种读和写都是原子性的对象引用变量。原子意味着多个线程试图改变同一个AtomicReference(例如比较和交换操作)将不会使得AtomicReference处于不一致的状态。

AtomicReference和AtomicInteger非常类似，不同之处就在于AtomicInteger是对整数的封装，底层采用的是compareAndSwapInt实现CAS，比较的是数值是否相等，而AtomicReference则对应普通的对象引用，底层使用的是compareAndSwapObject实现CAS，比较的是两个对象的地址是否相等。也就是它可以保证你在修改对象引用时的线程安全性。

class User{String userName;int age;public User(String userName, int age) {this.userName = userName;this.age = age;}public String getUserName() {return userName;}public void setUserName(String userName) {this.userName = userName;}public int getAge() {return age;}public void setAge(int age) {this.age = age;}@Overridepublic String toString() {return "User{" +"userName='" + userName + '\'' +", age=" + age +'}';}
}public class Main {public static void main(String[] args) {User z3 = new User("z3", 12);User l4 = new User("l4", 15);AtomicReference<User> atomicReference = new AtomicReference<>();atomicReference.set(z3);boolean b = atomicReference.compareAndSet(z3, l4);System.out.println(b);System.out.println(atomicReference.get().toString());b = atomicReference.compareAndSet(z3, l4);System.out.println(b);System.out.println(atomicReference.get().toString());}}

AtomicStampedReference（用版本解决ABA）

ABA问题

public class Main {static AtomicReference<Integer> atomicReference = new AtomicReference<>(100);public static void main(String[] args) {new Thread(()->{boolean b = atomicReference.compareAndSet(100, 101); // A B ASystem.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + b + " " + atomicReference.get().toString());b = atomicReference.compareAndSet(101, 100);System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + b + " " + atomicReference.get().toString());}, "t1").start();new Thread(()->{try{TimeUnit.SECONDS.sleep(1);}catch (Exception e){}// t2 修改成功, 另外一个线程从 100 变成 101 又变成了 100， b比较判断是100，所以能修改成功boolean b = atomicReference.compareAndSet(100, 102);System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + b + " " + atomicReference.get().toString());}, "t2").start();}
}

ABA问题的解决（加上版本）

public class Main {static AtomicStampedReference<Integer> atomicStampedReference = new AtomicStampedReference<>(100, 1);public static void main(String[] args) {new Thread(()->{int stamp = atomicStampedReference.getStamp();System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + stamp);try{TimeUnit.SECONDS.sleep(1);}catch (Exception e){}boolean b = atomicStampedReference.compareAndSet(100, 101,atomicStampedReference.getStamp(),atomicStampedReference.getStamp() + 1); // A B ASystem.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + b + " " + atomicStampedReference.getStamp());b = atomicStampedReference.compareAndSet(101, 100,atomicStampedReference.getStamp(),atomicStampedReference.getStamp() + 1);System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + b + " " + atomicStampedReference.getStamp());}, "t1").start();new Thread(()->{// t2 修改成功int stamp = atomicStampedReference.getStamp();System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + stamp);try{TimeUnit.SECONDS.sleep(4);}catch (Exception e){}boolean b = atomicStampedReference.compareAndSet(100, 102, stamp, stamp + 1);System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + b + " " + atomicStampedReference.getStamp());}, "t2").start();}}

• output

t1 1
t2 1
t1 true 2
t1 true 3
t2 false 3

t1，t2某时候同一版本
然后t1执行 A->B->A, 不过加上了版本
然后t2判断是有版本变更的，所以CAS操作失败