关于java:一篇搞定CAS深度讲解面试实践必备

在高并发的业务场景下，线程平安问题是必须思考的，在 JDK5 之前，能够通过 synchronized 或 Lock 来保障同步，从而达到线程平安的目标。但 synchronized 或 Lock 计划属于互斥锁的计划，比拟重量级，加锁、开释锁都会引起性能损耗问题。

而在某些场景下，咱们是能够通过 JUC 提供的 CAS 机制实现无锁的解决方案，或者说是它基于相似于乐观锁的计划，来达到非阻塞同步的形式保障线程平安。

CAS 机制不仅是面试中会高频呈现的面试题，而且也是高并发实际中必须把握的知识点。如果你目前对 CAS 还不甚了解，或者只有含糊的印象，这篇文章肯定值得你花工夫学习一下。

CAS是 Compare And Swap 的缩写，直译就是 比拟并替换。CAS 是古代 CPU 广泛支持的一种对内存中的共享数据进行操作的一种非凡指令，这个指令会对内存中的共享数据做原子的读写操作。其作用是让 CPU 比拟内存中某个值是否和预期的值雷同，如果雷同则将这个值更新为新值，不雷同则不做更新。

实质上来讲 CAS 是一种无锁的解决方案，也是一种基于乐观锁的操作，能够保障在多线程并发中保障共享资源的原子性操作，绝对于 synchronized 或 Lock 来说，是一种轻量级的实现计划。

Java 中大量应用了 CAS 机制来实现多线程下数据更新的原子化操作，比方 AtomicInteger、CurrentHashMap 当中都有 CAS 的利用。但 Java 中并没有间接实现 CAS，CAS 相干的实现是借助 C/C++ 调用 CPU 指令来实现的，效率很高，但 Java 代码需通过 JNI 能力调用。比方，Unsafe 类提供的 CAS 办法（如 compareAndSwapXXX）底层实现即为 CPU 指令 cmpxchg。

上面咱们用一张图来理解一下 CAS 操作的根本流程。

在上图中波及到三个值的比拟和操作：批改之前获取的（待批改）值 A，业务逻辑计算的新值 B，以及待批改值对应的内存地位的 C。

整个解决流程中，假如内存中存在一个变量 i，它在内存中对应的值是 A（第一次读取），此时通过业务解决之后，要把它更新成 B，那么在更新之前会再读取一下 i 当初的值 C，如果在业务解决的过程中 i 的值并没有发生变化，也就是 A 和 C 雷同，才会把 i 更新（替换）为新值 B。如果 A 和 C 不雷同，那阐明在业务计算时，i 的值产生了变动，则不更新（替换）成 B。最初，CPU 会将旧的数值返回。而上述的一系列操作由 CPU 指令来保障是原子的。

在《Java 并发编程实际》中对 CAS 进行了更加艰深的形容：我认为原有的值应该是什么，如果是，则将原有的值更新为新值，否则不做批改，并通知我原来的值是多少。

在上述途程中，咱们能够很清晰的看到乐观锁的思路，而且这期间并没有应用到锁。因而，绝对于 synchronized 等乐观锁的实现，效率要高十分多。

对于 CAS 的实现，最经典最罕用的当属 AtomicInteger 了，咱们马上就来看一下 AtomicInteger 是如何利用 CAS 实现原子性操作的。为了造成更新显明的比照，先来看一下如果不应用 CAS 机制，想实现线程平安咱们通常如何解决。

在没有应用 CAS 机制时，为了保障线程平安，基于 synchronized 的实现如下：

public class ThreadSafeTest {

    public static volatile int i = 0;

    public synchronized void increase() {i++;}
}

至于下面的实例具体实现，这里不再开展，很多相干的文章专门进行解说，咱们只须要晓得为了保障 i ++ 的原子操作，在 increase 办法上应用了重量级的锁 synchronized，这会导致该办法的性能低下，所有调用该办法的操作都须要同步期待解决。

那么，如果采纳基于 CAS 实现的 AtomicInteger 类，上述办法的实现便变得简略且轻量级了：

public class ThreadSafeTest {private final AtomicInteger counter = new AtomicInteger(0);

    public int increase(){return counter.addAndGet(1);
    }

}

之所以能够如此平安、便捷的来实现平安操作，便是因为 AtomicInteger 类采纳了 CAS 机制。上面，咱们就来理解一下 AtomicInteger 的性能及源码实现。

AtomicInteger是 java.util.concurrent.atomic 包下的一个原子类，该包下还有 AtomicBoolean, AtomicLong,AtomicLongArray, AtomicReference 等原子类，次要用于在高并发环境下，保障线程平安。

AtomicInteger 类提供了如下常见的 API 性能：

public final int get()：获取以后的值
public final int getAndSet(int newValue)：获取以后的值，并设置新的值
public final int getAndIncrement()：获取以后的值，并自增
public final int getAndDecrement()：获取以后的值，并自减
public final int getAndAdd(int delta)：获取以后的值，并加上预期的值
void lazySet(int newValue): 最终会设置成 newValue, 应用 lazySet 设置值后，可能导致其余线程在之后的一小段时间内还是能够读到旧的值。

上述办法中，getAndXXX 格局的办法都实现了原子操作。具体的应用办法参考下面的 addAndGet 案例即可。

上面看一下 AtomicInteger 代码中的外围实现代码：

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
    private static final long valueOffset;
    static {
        try {
            // 用于获取 value 字段绝对以后对象的“起始地址”的偏移量
            valueOffset = unsafe.objectFieldOffset(AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
        } catch (Exception ex) {throw new Error(ex); }
    }

    private volatile int value;

    // 返回以后值
    public final int get() {return value;}

    // 递减少 detla
    public final int getAndAdd(int delta) {
        // 1、this：以后的实例 
        // 2、valueOffset：value 实例变量的偏移量 
        // 3、delta：以后 value 要加上的数(value+delta)。return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta);
    }

    // 递减少 1
    public final int incrementAndGet() {return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
    }
...
}

上述代码以 AtomicInteger#incrementAndGet 办法为例展现了 AtomicInteger 的根本实现。其中，在 static 动态代码块中，基于 Unsafe 类获取 value 字段绝对以后对象的“起始地址”的偏移量，用于后续 Unsafe 类的解决。

在解决自增的原子操作时，应用的是 Unsafe 类中的 getAndAddInt 办法，CAS 的实现便是由 Unsafe 类的该办法提供，从而保障自增操作的原子性。

同时，在 AtomicInteger 类中，能够看到 value 值通过 volatile 进行润饰，保障了该属性值的线程可见性。在多并发的状况下，一个线程的批改，能够保障到其余线程立马看到批改后的值。

通过源码能够看出，AtomicInteger 底层是通过 volatile 变量和 CAS 两者相结合来保障更新数据的原子性。其中对于 Unsafe 类对 CAS 的实现，咱们上面具体介绍。

CAS 的实现原理简略来说就是由 Unsafe 类 和其中的 自旋锁 来实现的，上面针对源代码来看一下这两块的内容。

在 AtomicInteger 外围源码中，曾经看到 CAS 的实现是通过 Unsafe 类来实现的，先来理解一下 Unsafe 类的作用。对于 Unsafe 类在之前的文章《各大框架都在应用的 Unsafe 类，到底有多神奇？》也有具体的介绍，大家能够参考，这里咱们再简略概述一下。

sun.misc.Unsafe 是 JDK 外部用的工具类。它通过裸露一些 Java 意义上说“不平安”的性能给 Java 层代码，来让 JDK 可能更多的应用 Java 代码来实现一些本来是平台相干的、须要应用 native 语言（例如 C 或 C ++）才能够实现的性能。该类不应该在 JDK 外围类库之外应用，这也是命名为 Unsafe（不平安）的起因。

JVM 的实现能够自由选择如何实现 Java 对象的“布局”，也就是在内存里 Java 对象的各个局部放在哪里，包含对象的实例字段和一些元数据之类。

Unsafe 里对于对象字段拜访的办法把对象布局形象进去，它提供了 objectFieldOffset()办法用于获取某个字段绝对 Java 对象的“起始地址”的偏移量，也提供了 getInt、getLong、getObject 之类的办法能够应用后面获取的偏移量来拜访某个 Java 对象的某个字段。在 AtomicInteger 的 static 代码块中便应用了 objectFieldOffset()办法。

Unsafe 类的性能次要分为内存操作、CAS、Class 相干、对象操作、数组相干、内存屏障、零碎相干、线程调度等性能。这里咱们只须要晓得其性能即可，不便了解 CAS 的实现，留神不倡议在日常开发中应用。

AtomicInteger 调用了 Unsafe#getAndAddInt 办法：

    public final int incrementAndGet() {return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
    }

上述代码等于是 AtomicInteger 调用 UnSafe 类的 CAS 办法，JVM 帮咱们实现出汇编指令，从而实现原子操作。

在 Unsafe 中 getAndAddInt 办法实现如下：

    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;
    }

getAndAddInt 办法有三个参数：

第一个参数示意以后对象，也就是 new 的那个 AtomicInteger 对象；
第二个示意内存地址；
第三个示意自增步调，在 AtomicInteger#incrementAndGet 中默认的自增步调是 1。

getAndAddInt 办法中，首先把以后对象主内存中的值赋给 val5，而后进入 while 循环。判断以后对象此刻主内存中的值是否等于 val5，如果是，就自增（替换值），否则持续循环，从新获取 val5 的值。

在上述逻辑中外围办法是 compareAndSwapInt 办法，它是一个 native 办法，这个办法汇编之后是 CPU 原语指令，原语指令是间断执行不会被打断的，所以能够保障原子性。

在 getAndAddInt 办法中还波及到一个实现 自旋锁。所谓的自旋，其实就是下面 getAndAddInt 办法中的 do while 循环操作。当预期值和主内存中的值不等时，就从新获取主内存中的值，这就是自旋。

这里咱们能够看到 CAS 实现的一个毛病：外部应用自旋的形式进行 CAS 更新（while 循环进行 CAS 更新，如果更新失败，则循环再次重试）。如果长时间都不胜利的话，就会造成 CPU 极大的开销。

另外，Unsafe 类还反对了其余的 CAS 办法，比方compareAndSwapObject、 compareAndSwapInt、compareAndSwapLong。更多对于 Unsafe 类的性能就不再开展，大家能够去看《各大框架都在应用的 Unsafe 类，到底有多神奇？》这篇文章。

CAS高效的实现了原子性操作，但在以下三方面还存在着一些毛病：

循环工夫长，开销大；
只能保障一个共享变量的原子操作；
ABA 问题；

上面就这个三个问题具体讨论一下。

在剖析 Unsafe 源代码的时候咱们曾经提到，在 Unsafe 的实现中应用了自旋锁的机制。在该环节如果 CAS 操作失败，就须要循环进行 CAS 操作(do while 循环同时将期望值更新为最新的)，如果长时间都不胜利的话，那么会造成 CPU 极大的开销。如果 JVM 能反对处理器提供的 pause 指令那么效率会有肯定的晋升。

在最后的实例中，能够看出是针对一个共享变量应用了 CAS 机制，能够保障原子性操作。但如果存在多个共享变量，或一整个代码块的逻辑须要保障线程平安，CAS 就无奈保障原子性操作了，此时就须要思考采纳加锁形式（乐观锁）保障原子性，或者有一个取巧的方法，把多个共享变量合并成一个共享变量进行 CAS 操作。

尽管应用 CAS 能够实现非阻塞式的原子性操作，然而会产生 ABA 问题，ABA 问题呈现的根本流程：

过程 P1 在共享变量中读到值为 A；
P1 被抢占了，过程 P2 执行；
P2 把共享变量里的值从 A 改成了 B，再改回到 A，此时被 P1 抢占；
P1 回来看到共享变量里的值没有被扭转，于是继续执行；

尽管 P1 认为变量值没有扭转，继续执行了，然而这个会引发一些潜在的问题。ABA 问题最容易产生在 lock free 的算法中的，CAS 首当其冲，因为 CAS 判断的是指针的地址。如果这个地址被重用了呢，问题就很大了（地址被重用是很常常产生的，一个内存调配后开释了，再调配，很有可能还是原来的地址）。

维基百科上给了一个形象的例子：你拿着一个装满钱的手提箱在飞机场，此时过去了一个火辣性感的美女，而后她很暖昧地撩拨着你，并趁你不留神，把用一个截然不同的手提箱和你那装满钱的箱子调了个包，而后就来到了，你看到你的手提箱还在那，于是就提着手提箱去赶飞机去了。

ABA 问题的解决思路就是应用版本号：在变量后面追加上版本号，每次变量更新的时候把版本号加 1，那么 A ->B->A 就会变成 1A->2B->3A。

另外，从 Java 1.5 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 办法的作用是首先查看以后援用是否等于预期援用，并且查看以后标记是否等于预期标记，如果全副相等，则以原子形式将该援用和该标记的值设置为给定的更新值。

本文从 CAS 的根本应用场景、根本流程、实现类 AtomicInteger 源码解析、CAS 的 Unsafe 实现解析、CAS 的毛病及解决方案等方面来全面理解了 CAS。通过这篇文章的学习想必你曾经更加粗浅的了解 CAS 机制了，如果对你有所帮忙，记得关注一下，继续输入干货内容。

关于java:一篇搞定CAS深度讲解面试实践必备

背景

什么是 CAS？

CAS 的根本流程

基于 CAS 的 AtomicInteger 应用

CAS 的 AtomicInteger 类

AtomicInteger 罕用 API

AtomicInteger 外围源码

CAS 的工作原理

UnSafe 类

Unsafe 与 CAS

CAS 的毛病

循环工夫长开销大

只能保障一个共享变量的原子操作

ABA 问题

小结

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关于java:一篇搞定CAS深度讲解面试实践必备

背景

什么是 CAS？

CAS 的根本流程

基于 CAS 的 AtomicInteger 应用

CAS 的 AtomicInteger 类

AtomicInteger 罕用 API

AtomicInteger 外围源码

CAS 的工作原理

UnSafe 类

Unsafe 与 CAS

CAS 的毛病

循环工夫长开销大

只能保障一个共享变量的原子操作

ABA 问题

小结

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