Java原子操作CAS原理解析

一、CAS（Compare And Set）

Compare And Set（或Compare And Swap），CAS是解决多线程并行情况下使用锁造成性能损耗的一种机制，CAS操作包含三个操作数——内存位置（V）、预期原值（A）、新值(B)。如果内存位置的值与预期原值相匹配，那么处理器会自动将该位置值更新为新值。否则，处理器不做任何操作。无论哪种情况，它都会在CAS指令之前返回该位置的值。CAS有效地说明了“我认为位置V应该包含值A；如果包含该值，则将B放到这个位置；否则，不要更改该位置，只告诉我这个位置现在的值即可。

​ 在java中可以通过锁和循环CAS的方式来实现原子操作。Java中 java.util.concurrent.atomic包相关类就是 CAS的实现，atomic包里包括以下类：

二、AtomicInteger

AtomicInteger可以用原子方式更新的 int 值。AtomicInteger 可用在应用程序中（如以原子方式增加的计数器），并且不能用于替换 Integer。但是，此类确实扩展了 Number，允许那些处理基于数字类的工具和实用工具进行统一访问。 我们拿 AtomicInteger为例来学习下 CAS操作是如何实现的。

通常情况下，在 Java中，i++等类似操作并不是线程安全的，因为 i++可分为三个独立的操作：获取变量当前值，为该值+1，然后写回新的值。在没有额外资源可以利用的情况下，只能使用加锁才能保证读-改-写这三个操作时“原子性”的。但是利用加锁的方式来实现该功能的话，代码将非常复杂及难以维护，如：

synchronized (lock) { 
  i++; 
} 

相关类中还需要增加 Object lock等额外标志，这样就带来了很多麻烦，增加了很多业务无关代码，给开发与维护带来了不便。
​ 然而利用 atomic包中相关类型就可以很简单实现此操作，以下是一个计数程序实例：

public class Counter {
  private AtomicInteger ai = new AtomicInteger();
  private int i = 0;
 
  public static void main(String[] args) { 
    final Counter cas = new Counter(); 
    List<Thread> threads = new ArrayList<Thread>();
    // 添加100个线程 
    for (int j = 0; j < 100; j++) { 
      threads.add(new Thread(new Runnable() {
        public void run() { 
          // 执行100次计算，预期结果应该是10000 
          for (int i = 0; i < 100; i++) { 
            cas.count(); 
            cas.safeCount(); 
          } 
        } 
      })); 
    } 
    //开始执行 
    for (Thread t : threads) {
      t.start(); 
    } 
    // 等待所有线程执行完成 
    for (Thread t : threads) {
      try { 
        t.join(); 
      } catch (InterruptedException e) { 
        e.printStackTrace(); 
      } 
    } 
    System.out.println("非线程安全计数结果："+cas.i); 
    System.out.println("线程安全计数结果："+cas.ai.get()); 
  } 
 
  /** 使用CAS实现线程安全计数器 */ 
  private void safeCount() { 
    for (;;) { 
      int i = ai.get(); 
      // 如果当前值 == 预期值，则以原子方式将该值设置为给定的更新值 
      boolean suc = ai.compareAndSet(i, ++i); 
      if (suc) { 
        break; 
      } 
    } 
  } 
  /** 非线程安全计数器 */ 
  private void count() { 
    i++; 
  } 
} 
/**
非线程安全计数结果：9942
线程安全计数结果：10000
*/

其中非线程安全计数器所计算的结果每次都不相同且不正确，而线程安全计数器计算的结果每次都是正确的。

三、存在的问题

CAS虽然很高效的解决原子操作，但是CAS仍然存在三大问题：ABA问题、循环时间长开销大、只能保证一个共享变量的原子操作。

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。 从Java1.5开始JDK的 atomic包里提供了一个类AtomicStampedReference 来解决ABA问题。这个类的 compareAndSet方法作用是首先检查当前引用是否等于预期引用，并且当前标志是否等于预期标志，如果全部相等，则以原子方式将该引用和该标志的值设置为给定的更新值。

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。　

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。

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