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Java中CAS机制实现方法详解

作者：Java技术债务

传统的并发控制手段如synchronized和ReentrantLock虽有效防止资源竞争,却可能引起性能开销,相比之下,CAS（CompareAndSwap）提供一种轻量级的乐观锁策略,通过硬件级别的原子指令实现无锁并发,提高性能,需要的朋友可以参考下

概述

传统的并发控制手段，如使用synchronized关键字或者ReentrantLock等互斥锁机制，虽然能够有效防止资源的竞争冲突，但也可能带来额外的性能开销，如上下文切换、锁竞争导致的线程阻塞等。而此时就出现了一种乐观锁的策略，以其非阻塞、轻量级的特点，在某些场合下能更好地提升并发性能，其中最为关键的技术便是Compare And Swap（简称CAS）。

CAS是一种无锁算法，它在硬件级别提供了原子性的条件更新操作，允许线程在不加锁的情况下实现对共享变量的修改。在Java中，CAS机制被广泛应用于java.util.concurrent.atomic包下的原子类以及高级并发工具类如AbstractQueuedSynchronizer（AQS）的实现中。

CAS的基本概念

CAS是原子指令，一种基于锁的操作，而且是乐观锁，又称无锁机制。CAS操作包含三个基本操作数：内存位置、期望值和新值。

CAS基本原理

在执行CAS操作时，计算机会检查内存位置当前是否存放着期望值，如果是，则将内存位置的值更新为新值；若不是，则不做任何修改，保持原有值不变，并返回当前内存位置的实际值。

CAS操作通过一条CPU的原子指令，保证了比较和更新的原子性。在执行CAS操作时，CPU会判断当前系统是否为多核系统，如果是，则会给总线加锁，确保只有一个线程能够执行CAS操作。这种独占式的原子性实现方式，比起使用synchronized等重量级锁，具有更短的排他时间，因此在多线程情况下性能更佳。

Java中的CAS实现

在Java中，CAS机制被封装在jdk.internal.misc.Unsafe类中，尽管这个类并不建议在普通应用程序中直接使用，但它是构建更高层次并发工具的基础，例如java.util.concurrent.atomic包下的原子类如AtomicInteger、AtomicLong等。这些原子类通过JNI调用底层硬件提供的CAS指令，从而在Java层面上实现了无锁并发操作。

Java的标准库中，特别是jdk.internal.misc.Unsafe类提供了一系列compareAndSwapXXX方法，这些方法底层确实是通过C++编写的内联汇编来调用对应CPU架构的cmpxchg指令，从而实现原子性的比较和交换操作。

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 6214790243416807050L;

    //由这里可以看出来，依赖jdk.internal.misc.Unsafe实现的
    private static final jdk.internal.misc.Unsafe U = jdk.internal.misc.Unsafe.getUnsafe();
    private static final long VALUE = U.objectFieldOffset(AtomicInteger.class, "value");

    private volatile int value;

	public final boolean compareAndSet(int expectedValue, int newValue) { 
	    // 调用 jdk.internal.misc.Unsafe的compareAndSetInt方法
	    return U.compareAndSetInt(this, VALUE, expectedValue, newValue);  
	}
}

Unsafe中的compareAndSetInt使用了@HotSpotIntrinsicCandidate注解修饰，@HotSpotIntrinsicCandidate注解是Java HotSpot虚拟机（JVM）的一个特性注解，它表明标注的方法有可能会被HotSpot JVM识别为“内联候选”，当JVM发现有方法被标记为内联候选时，会尝试利用底层硬件提供的原子指令（比如cmpxchg指令）直接替换掉原本的Java方法调用，从而在运行时获得更好的性能。

public final class Unsafe {
	@HotSpotIntrinsicCandidate  
	public final native boolean compareAndSetInt(Object o, long offset,  
	                                             int expected,  
	                                             int x);
}

cmpxchg指令是多数现代CPU支持的原子指令，它能在多线程环境下确保一次比较和交换操作的原子性，有效解决了多线程环境下数据竞争的问题，避免了数据不一致的情况。例如，在更新一个共享变量时，如果期望值与当前值相匹配，则原子性地更新为新值，否则不进行更新操作，这样就能在无锁的情况下实现对共享资源的安全访问。
我们以java.util.concurrent.atomic包下的AtomicInteger为例，分析其compareAndSet方法。

而由cmpxchg函数中的do...while我们也可以看出，当多个线程同时尝试更新同一内存位置，且它们的期望值相同但只有一个线程能够成功更新时，其他线程的CAS操作会失败。对于失败的线程，常见的做法是采用自旋锁的形式，即循环重试直到成功为止。这种方式在低竞争或短时间窗口内的并发更新时，相比于传统的锁机制，它避免了线程的阻塞和唤醒带来的开销，所以它的性能会更优。

什么是unsafe

什么是unsafe呢？Java语言不像C，C++那样可以直接访问底层操作系统，但是JVM为我们提供了一个后门，这个后门就是unsafe。unsafe为我们提供了硬件级别的原子操作。

CAS是一种原子操作。那么Java是怎样来使用CAS的呢？

我们知道，在Java中，如果一个方法是native的，那Java就不负责具体实现它，而是交给底层的JVM使用c或者c++去实现。

Unsafe类是JDK提供的一个不安全的类，它提供了一些底层的操作，包括内存操作、线程调度、对象实例化等。它的作用是让Java可以在底层直接操作内存，从而提高程序的效率。但是，由于Unsafe类是不安全的，所以只有JDK开发人员才能使用它，普通开发者不建议使用。它里面大多是一些native方法，其中就有几个关于CAS的：

boolean compareAndSwapObject(Object o, long offset,Object expected, Object x);
boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset,int expected,int x);
boolean compareAndSwapLong(Object o, long offset,long expected,long x);

原子操作类解析

看一下AtomicInteger当中常用的自增方法incrementAndGet

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 6214790243416807050L;

    // setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updates
    private 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;
    /**
     * Atomically increments by one the current value.
     *
     * @return the updated value
     */
    public final int incrementAndGet() {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
    }
}

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

这段代码是一个无限循环，也就是CAS的自旋(底层为do-while循环)，循环体中做了三件事：

这里需要注意的重点是get方法，这个方法的作用是获取变量的当前值。

volatile关键字来保证（保证线程间的可见性）。

compareAndSet方法的实现很简单，只有一行代码。这里涉及到两个重要的对象，一个是unsafe，一个是valueOffset。 unsafe上面提到，就不用多说了，对于valueOffset对象，是通过unsafe.objectFiledOffset方法得到，所代表的是AtomicInteger对象value成员变量在内存中的偏移量。我们可以简单的把valueOffset理解为value变量的内存地址。

我们上面说过，CAS机制中使用了3个基本操作数：内存地址V，旧的预期值A，要修改的新值B。

而unsafe的compareAndSwapInt方法的参数包括了这三个基本元素：valueOffset参数代表了V，expect参数代表了A，update参数代表了B。

正是unsafe的compareAndSwapInt方法保证了Compare和Swap操作之间的原子性操作。

CAS机制的优缺点

优点

一开始在文中我们曾经提到过，CAS是一种乐观锁，而且是一种非阻塞的轻量级的乐观锁，什么是非阻塞式的呢？其实就是一个线程想要获得锁，对方会给一个回应表示这个锁能不能获得。在资源竞争不激烈的情况下性能高，相比synchronized重量锁，synchronized会进行比较复杂的加锁，解锁和唤醒操作。

缺点

Java的原子类就提供了类似的实现，如AtomicStampedReference和AtomicMarkableReference引入了附加的标记位或版本号，以便区分不同的修改序列。

CAS应用场景

主要在并发编程的应用中非常的广泛，通常用于实现乐观锁和无锁算法

CAS机制优化

虽然CAS机制具有很多优点，但在实际应用中也存在一些问题，如自旋等待导致的CPU资源浪费等。为了优化CAS机制的性能，可以采取以下措施：

总结

Java中的CAS原理及其在并发编程中的应用是一项非常重要的技术。CAS利用CPU硬件提供的原子指令，实现了在无锁环境下的高效并发控制，避免了传统锁机制带来的上下文切换和线程阻塞开销。Java通过JNI接口调用底层的CAS指令，封装在jdk.internal.misc类和java.util.concurrent.atomic包下的原子类中，为我们提供了简洁易用的API来实现无锁编程。

CAS在带来并发性能提升的同时，也可能引发循环开销过大、ABA问题等问题。针对这些问题，Java提供了如LongAdder、AtomicStampedReference和AtomicMarkableReference等工具类来解决ABA问题，同时也通过自适应自旋、适时放弃自旋转而进入阻塞等待等方式降低循环开销。

理解和熟练掌握CAS原理及其在Java中的应用，有助于我们在开发高性能并发程序时作出更明智的选择，既能提高系统并发性能，又能保证数据的正确性和一致性。

到此这篇关于Java中CAS机制实现方法的文章就介绍到这了,更多相关Java CAS机制详解内容请搜索脚本之家以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持脚本之家！

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