Java 基本功 之 CAS

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前言

在Java并發編程中，我們經常使用鎖對競爭資源予以并發控制，以解決資源競爭的問題。但無論是使用 Lock 還是 Synchronized，隨著鎖機制的引入，就不可避免的帶來另一個問題，也就鎖與解鎖時的上下文切換，線程等待 等性能問題。現在回過頭來看，在有些場景中，是否真的需要引入鎖才能解決競爭資源共享問題？答案是否定的，在JDK源碼中，也為我們實現了。就是今天要介紹的另外一種無鎖方案-CAS，它大量應用于JUC 包中，也是atomic包中各類的底層原理，其重要行可想而知。

CAS 簡介

CAS 全稱為：Compare And Swap (比較與替換)，其核心思想是：將內存值 Value 與期望值 A 進行比較，如果兩者相等，則將其設置為新值 B，否則不進行任何操作。CAS操作非常高效，在我看來，其原因有二，其一：底層調用的是 sun.misc.Unsafe 類，操作的是內存值，非常高效。其二：在多線程環境下，始終只有一個線程獲得執行權，未獲得執行權的線程并不會掛起而造成阻塞，而是以操作CAS失敗后再次執行CAS操作，直至成功，這一個過程，在Java中稱之為 “自旋”。

源碼解析

Java 中 CAS 應用的十分廣泛，幕后英雄是sun.misc.Unsafe 類，單獨看Unsafe類的CAS操作可能有些茫然，以我們熟悉的 AtomicInteger 類中的 compareAndSet 方法為引子，再分析到 Unsafe類可能會更好些。下面為AtomicInteger 類中 compareAndSet 方法的源碼，如下所述：

public?final?boolean?compareAndSet(int?expect,?int?update)?{
????return?unsafe.compareAndSwapInt(this,?valueOffset,?expect,?update)}

方法入參中 expect 為期望值，update 為待更新值。繼續往下看，compareAndSet 方法內部使用到的是Unsafe.compareAndSwapInt()方法，如下所述：

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

方法入參有四個，其中：

1. Object var1 為對象。

2. long var2 為 var1 對象的內存地址。

3. int var4 為 內存地址 中的期望值。

4. var5 為 待更新的值。
   

在Unsafe類中，同類的方法有以下幾個：

public?final?native?boolean?compareAndSwapObject(Object?var1,?long?var2,?Object?var4,?Object?var5);

public?final?native?boolean?compareAndSwapLong(Object?var1,?long?var2,?long?var4,?long?var6);

其實 Unsafe 類還給我們提供了一系列底層的API，由于篇幅原因，就不再展開說明，下次放單獨一篇文章中談談。

ABA 問題

在 CAS 中有一個特別經典的問題，也就是ABA。它說的是：內存值 Value 與期望值 A 進行比較前，Value已經發生過變化了，只不過是其變化后的值也為Value。從而造成從結果上看，其結果一致是一致的，（多發生于多線程條件下）當然這也是符合CAS 條件的。在大多數場景下，我們并不需要關心這種場景，在需要關心時，我們也可以使用JDK為我們提供了實現類 - AtomicStampedReference。在AomicStampedReference 類中，引入了標記位的概念，用于標記value值是否被修改過。結合value值 + 標記位是否一致，來判斷value值是否修改過。其源碼如下：

public?boolean?compareAndSet(V??expectedReference,?//?期望引用對象
?????????????????????????????????V?newReference,????//?新的引用對象
?????????????????????????????????int?expectedStamp,?//期望標志位
?????????????????????????????????int?newStamp)??//?新的標識位
????????Pair<V>?current?=?pair;??//?獲取對象與標識引用對
????????return
????????????expectedReference?==?current.reference?&&???//?期望對象引用是否等于當前引用對象?(是否發生變化)
????????????expectedStamp?==?current.stamp&&??????//?期望stamp?是否等于當前stamp
????????????((newReference?==?current.reference?&&???//新的引用對象是否等于當前引用對象，新的stamp是否等于當前stamp
??????????????newStamp?==?current.stamp)?||
?????????????casPair(current,?Pair.of(newReference,?newStamp)));??//進行pair?的cas操作
????}

其中 pair 為 對象引用與版本標記對象，其源碼如下：

private?static?class?Pair<T>?{
????????final?T?reference;
????????final?int?stamp;
????????private?Pair(T?reference,?int?stamp)?{
????????????this.reference?=?reference;
????????????this.stamp?=?stamp;
????????}
????????static?<T>?Pair<T>?of(T?reference,?int?stamp)?{
????????????return?new?Pair<T>(reference,?stamp);
????????}
????}

結語

在Java 中 CAS 應用的十分廣泛，包括但不限于：atomic，synchorized 底層原理等等。但需要明確的是 CAS 的存在并不是用來替換 lock 的，而是一種互補的關系。平常都在寫業務代碼，沒有更深層次的查看源碼，當查看源碼時，卻又是一件趣事，蠻好的！

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