Java併發編程系列-(3) 原子操作與CAS

3. 原子操作與CAS

3.1 原子操作

所謂原子操作是指不會被線程調度機制打斷的操作；這種操作一旦開始，就一直運行到結束，中間不會有任何context switch，也就是切換到另一個線程。

爲了實現原子操作，Java中可以通過synchronized關鍵字將函數或者代碼塊包圍，以實現操作的原子性。但是synchronized關鍵字有一些很顯著的問題：

1、synchronized是基於阻塞鎖的機制，如果被阻塞的線程優先級很高，可能很長時間其他線程都沒有機會運行；
2、拿到鎖的線程一直不釋放鎖，可能導致其他線程一直等待；
3、線程數量很多時，可能帶來大量的競爭，消耗cpu，同時帶來死鎖或者其他安全。

像synchronized這種獨佔鎖屬於悲觀鎖，它是在假設一定會發生衝突的，那麼加鎖恰好有用，除此之外，還有樂觀鎖，樂觀鎖的含義就是假設沒有發生衝突，那麼我正好可以進行某項操作，如果要是發生衝突呢，那我就重試直到成功，樂觀鎖最常見的就是CAS。

JAVA內部在實現原子操作的類時都應用到了CAS。

3.2 CAS

CAS是CompareAndSwap的縮寫，即比較並替換。CAS需要有3個操作數：內存地址V，舊的預期值A，即將要更新的目標值B。

CAS指令執行時，當且僅當內存地址V的值與預期值A相等時，將內存地址V的值修改爲B，否則就什麼都不做。整個比較並替換的操作是一個原子操作，大多數現代處理器都支持CAS指令。

JDK中關於原子操作的類有，

• 更新基本類型類：AtomicBoolean，AtomicInteger，AtomicLong，AtomicReference

• 更新數組類：AtomicIntegerArray，AtomicLongArray，AtomicReferenceArray

• 更新引用類型：AtomicReference，AtomicMarkableReference，AtomicStampedReference

• 原子更新字段類： AtomicReferenceFieldUpdater，AtomicIntegerFieldUpdater，AtomicLongFieldUpdater

下面例子爲AtomicInteger的基本用法，

public class UseAtomicInt {
    
    static AtomicInteger ai = new AtomicInteger(10);
    
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(ai.getAndIncrement());//10--->11
        System.out.println(ai.incrementAndGet());//11--->12--->out
        System.out.println(ai.get());
    }
}

深入getAndIncrement的實現可以發現，內部調用了CAS進行value的更新，

   /**
     * Atomically adds the given value to the current value of a field
     * or array element within the given object {@code o}
     * at the given {@code offset}.
     *
     * @param o object/array to update the field/element in
     * @param offset field/element offset
     * @param delta the value to add
     * @return the previous value
     * @since 1.8
     */
    @HotSpotIntrinsicCandidate
    public final int getAndAddInt(Object o, long offset, int delta) {
        int v;
        do {
            v = getIntVolatile(o, offset);
        } while (!weakCompareAndSetInt(o, offset, v, v + delta));
        return v;
    }

CAS在底層通過JNI調用系統的Atomic::cmpxchg方法，來進行value的比較與更新。

對於CAS的實現，這依賴於CPU提供的特定指令，具體根據體系結構的不同還存在着明顯區別。比如，x86 CPU 提供 cmpxchg 指令；而在精簡指令集的體系架構中，則通常是靠一對兒指令（如“load and reserve”和“store conditional”）實現的，在大多數處理器上 CAS 都是個非常輕量級的操作，這也是其優勢所在。

3.3 CAS的問題

CAS雖然很高效的解決了原子操作問題，但是CAS仍然存在三大問題。

• ABA問題

什麼是ABA問題？ABA問題怎麼解決？如果內存地址V初次讀取的值是A，並且在準備賦值的時候檢查到它的值仍然爲A，那我們就能說它的值沒有被其他線程改變過了嗎？如果在這段期間它的值曾經被改成了B，後來又被改回爲A，那CAS操作就會誤認爲它從來沒有被改變過。這個漏洞稱爲CAS操作的“ABA”問題。
Java併發包爲了解決這個問題，提供了一個帶有標記的原子引用類“AtomicStampedReference”，它可以通過控制變量值的版本來保證CAS的正確性。因此，在使用CAS前要考慮清楚“ABA”問題是否會影響程序併發的正確性，如果需要解決ABA問題，改用傳統的互斥同步可能會比原子類更高效。

• 開銷問題

循環時間長開銷很大：我們可以看到getAndAddInt方法執行時，如果CAS失敗，會一直進行嘗試。如果CAS長時間一直不成功，可能會給CPU帶來很大的開銷。

• 只能保證一個共享變量的原子操作

只能保證一個共享變量的原子操作：當對一個共享變量執行操作時，我們可以使用循環CAS的方式來保證原子操作，但是對多個共享變量操作時，循環CAS就無法保證操作的原子性，這個時候就可以用鎖來保證原子性。

---

本文由『後端精進之路』原創，首發於博客 http://teckee.github.io/ , 轉載請註明出處

搜索『後端精進之路』關注公衆號，立刻獲取最新文章和價值2000元的BATJ精品面試課程。