了解CAS(Compare-And-Swap)

CAS即對比交換，它在保證數據原子性的前提下盡可能的減少了鎖的使用，很多編程語言或者系統實現上都大量的使用了CAS。

JAVA中CAS的實現

JAVA中的cas主要使用的是Unsafe方法，Unsafe的CAS操作主要是基于硬件平臺的匯編指令，目前的處理器基本都支持CAS，只不過不同的廠家的實現不一樣罷了。

Unsafe提供了三個方法用于CAS操作，分別是

public final native boolean compareAndSwapObject(Object value, long valueOffset, Object expect, Object update);

public final native boolean compareAndSwapInt(Object value, long valueOffset, int expect, int update);

public final native boolean compareAndSwapLong(Object value, long valueOffset, long expect, long update);

復制代碼

value 表示 需要操作的對象

valueOffset 表示 對象(value)的地址的偏移量(通過Unsafe.objectFieldOffset(Field valueField)獲取)

expect 表示更新時value的期待值

update 表示將要更新的值

具體過程為每次在執行CAS操作時，線程會根據valueOffset去內存中獲取當前值去跟expect的值做對比如果一致則修改并返回true，如果不一致說明有別的線程也在修改此對象的值，則返回false

Unsafe類中compareAndSwapInt的具體實現：

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

復制代碼

ABA問題

線程1準備用CAS修改變量值A，在此之前，其它線程將變量的值由A替換為B，又由B替換為A，然后線程1執行CAS時發現變量的值仍然為A，所以CAS成功。但實際上這時的現場已經和最初不同了。

aba.png

例子

public static AtomicInteger a = new AtomicInteger(1);

public static void main(String[] args){

Thread main = new Thread(() -> {

System.out.println("操作線程" + Thread.currentThread() +",初始值 = " + a); //定義變量 a = 1

try {

Thread.sleep(1000); //等待1秒 ，以便讓干擾線程執行

} catch (InterruptedException e) {

e.printStackTrace();

}

boolean isCASSuccess = a.compareAndSet(1,2); // CAS操作

System.out.println("操作線程" + Thread.currentThread() +",CAS操作結果: " + isCASSuccess);

},"主操作線程");

Thread other = new Thread(() -> {

a.incrementAndGet(); // a 加 1, a + 1 = 1 + 1 = 2

System.out.println("操作線程" + Thread.currentThread() +",【increment】 ,值 = "+ a);

a.decrementAndGet(); // a 減 1, a - 1 = 2 - 1 = 1

System.out.println("操作線程" + Thread.currentThread() +",【decrement】 ,值 = "+ a);

},"干擾線程");

main.start();

other.start();

}

復制代碼

// 輸出

> 操作線程Thread[主操作線程,5,main],初始值 = 1

> 操作線程Thread[干擾線程,5,main],【increment】 ,值 = 2

> 操作線程Thread[干擾線程,5,main],【decrement】 ,值 = 1

> 操作線程Thread[主操作線程,5,main],CAS操作結果: true

復制代碼

解決ABA方案

思路

解決ABA最簡單的方案就是給值加一個修改版本號，每次值變化，都會修改它版本號，CAS操作時都對比此版本號。

aba_2.png

JAVA中ABA中解決方案(AtomicStampedReference)

AtomicStampedReference主要維護包含一個對象引用以及一個可以自動更新的整數"stamp"的pair對象來解決ABA問題。

//關鍵代碼

public class AtomicStampedReference {

private static class Pair {

final T reference; //維護對象引用

final int stamp; //用于標志版本

private Pair(T reference, int stamp) {

this.reference = reference;

this.stamp = stamp;

}

static Pair of(T reference, int stamp) {

return new Pair(reference, stamp);

}

}

private volatile Pair pair;

....

/**

* expectedReference ：更新之前的原始值

* newReference : 將要更新的新值

* expectedStamp : 期待更新的標志版本

* newStamp : 將要更新的標志版本

*/

public boolean compareAndSet(V expectedReference,

V newReference,

int expectedStamp,

int newStamp) {

Pair current = pair; //獲取當前pair

return

expectedReference == current.reference && //原始值等于當前pair的值引用，說明值未變化

expectedStamp == current.stamp && // 原始標記版本等于當前pair的標記版本，說明標記未變化

((newReference == current.reference &&

newStamp == current.stamp) || // 將要更新的值和標記都沒有變化

casPair(current, Pair.of(newReference, newStamp))); // cas 更新pair

}

}

復制代碼

例子

private static AtomicStampedReference atomicStampedRef =

new AtomicStampedReference<>(1, 0);

public static void main(String[] args){

Thread main = new Thread(() -> {

System.out.println("操作線程" + Thread.currentThread() +",初始值 a = " + atomicStampedRef.getReference());

int stamp = atomicStampedRef.getStamp(); //獲取當前標識別

try {

Thread.sleep(1000); //等待1秒 ，以便讓干擾線程執行

} catch (InterruptedException e) {

e.printStackTrace();

}

boolean isCASSuccess = atomicStampedRef.compareAndSet(1,2,stamp,stamp +1); //此時expectedReference未發生改變，但是stamp已經被修改了,所以CAS失敗

System.out.println("操作線程" + Thread.currentThread() +",CAS操作結果: " + isCASSuccess);

},"主操作線程");

Thread other = new Thread(() -> {

atomicStampedRef.compareAndSet(1,2,atomicStampedRef.getStamp(),atomicStampedRef.getStamp() +1);

System.out.println("操作線程" + Thread.currentThread() +",【increment】 ,值 = "+ atomicStampedRef.getReference());

atomicStampedRef.compareAndSet(2,1,atomicStampedRef.getStamp(),atomicStampedRef.getStamp() +1);

System.out.println("操作線程" + Thread.currentThread() +",【decrement】 ,值 = "+ atomicStampedRef.getReference());

},"干擾線程");

main.start();

other.start();

}

復制代碼

// 輸出

> 操作線程Thread[干擾線程,5,main],【increment】 ,值 = 2

> 操作線程Thread[干擾線程,5,main],【decrement】 ,值 = 1

> 操作線程Thread[主操作線程,5,main],初始值 a = 1

> 操作線程Thread[主操作線程,5,main],CAS操作結果: true

復制代碼

總結

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