Java線程（十）----CAS

前言

       在Java併發包中有這樣一個包，java.util.concurrent.atomic，該包是對Java部分數據類型的原子封裝，在原有數據類型的基礎上，提供了原子性的操作方法，保證了線程安全。下面以AtomicInteger爲例，來看一下是如何實現的。

public final int incrementAndGet() {
    for (;;) {
        int current = get();
        int next = current + 1;
        if (compareAndSet(current, next))
            return next;
    }
}

public final int decrementAndGet() {
    for (;;) {
        int current = get();
        int next = current - 1;
        if (compareAndSet(current, next))
            return next;
    }
}

       以這兩個方法爲例，incrementAndGet方法相當於原子性的++i，decrementAndGet方法相當於原子性的--i（根據第一章和第二章我們知道++i或--i不是一個原子性的操作），這兩個方法中都沒有使用阻塞式的方式來保證原子性（如Synchronized），那它們是如何保證原子性的呢，下面引出CAS。

Compare And Swap

       CAS 指的是現代 CPU 廣泛支持的一種對內存中的共享數據進行操作的一種特殊指令。這個指令會對內存中的共享數據做原子的讀寫操作。簡單介紹一下這個指令的操作過程：首先，CPU 會將內存中將要被更改的數據與期望的值做比較。然後，當這兩個值相等時，CPU 纔會將內存中的數值替換爲新的值。否則便不做操作。最後，CPU 會將舊的數值返回。這一系列的操作是原子的。它們雖然看似複雜，但卻是 Java 5 併發機制優於原有鎖機制的根本。簡單來說，CAS 的含義是“我認爲原有的值應該是什麼，如果是，則將原有的值更新爲新值，否則不做修改，並告訴我原來的值是多少”。（這段描述引自《Java併發編程實踐》）
       簡單的來說，CAS有3個操作數，內存值V，舊的預期值A，要修改的新值B。當且僅當預期值A和內存值V相同時，將內存值V修改爲B，否則返回V。這是一種樂觀鎖的思路，它相信在它修改之前，沒有其它線程去修改它；而Synchronized是一種悲觀鎖，它認爲在它修改之前，一定會有其它線程去修改它，悲觀鎖效率很低。下面來看一下AtomicInteger是如何利用CAS實現原子性操作的。

volatile變量

private volatile int value;

       首先聲明瞭一個volatile變量value，在第二章我們知道volatile保證了變量的內存可見性，也就是所有工作線程中同一時刻都可以得到一致的值。

public final int get() {
    return value;
}

Compare And Set

// setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updates
private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
private static final long valueOffset;// 注意是靜態的

static {
  try {
    valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
        (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));// 反射出value屬性，獲取其在內存中的位置
  } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}

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

       比較並設置，這裏利用Unsafe類的JNI方法實現，使用CAS指令，可以保證讀-改-寫是一個原子操作。compareAndSwapInt有4個參數，this - 當前AtomicInteger對象，Offset - value屬性在內存中的位置(需要強調的是不是value值在內存中的位置)，expect - 預期值，update - 新值，根據上面的CAS操作過程，當內存中的value值等於expect值時，則將內存中的value值更新爲update值，並返回true，否則返回false。在這裏我們有必要對Unsafe有一個簡單點的認識，從名字上來看，不安全，確實，這個類是用於執行低級別的、不安全操作的方法集合，這個類中的方法大部分是對內存的直接操作，所以不安全，但當我們使用反射、併發包時，都間接的用到了Unsafe。

循環設置

       現在在來看開篇提到的兩個方法，我們拿incrementAndGet來分析一下其實現過程。

public final int incrementAndGet() {
    for (;;) {// 這樣優於while(true)
        int current = get();// 獲取當前值
        int next = current + 1;// 設置更新值
        if (compareAndSet(current, next))
            return next;
    }
}

       循環內，獲取當前值並設置更新值，調用compareAndSet進行CAS操作，如果成功就返回更新至，否則重試到成功爲止。這裏可能存在一個隱患，那就是循環時間過長，總是在當前線程compareAndSet時，有另一個線程設置了value(點子太背了)，這個當然是屬於小概率時間，目前Java貌似還不能處理這種情況。

缺點

       雖然使用CAS可以實現非阻塞式的原子性操作，但是會產生ABA問題，關於ABA問題，計劃單拿出一章來整理。