并發編程的靈魂：CAS機制詳解

Java中提供了很多原子操作類來保證共享變量操作的原子性。這些原子操作的底層原理都是使用了CAS機制。在使用一門技術之前，了解這個技術的底層原理是非常重要的，所以本篇文章就先來講講什么是CAS機制，CAS機制存在的一些問題以及在Java中怎么使用CAS機制。

其實Java并發框架的基石一共有兩塊，一塊是本文介紹的CAS，另一塊就是AQS，后續也會寫文章介紹。

什么是CAS機制

CAS機制是一種數據更新的方式。在具體講什么是CAS機制之前，我們先來聊下在多線程環境下，對共享變量進行數據更新的兩種模式：悲觀鎖模式和樂觀鎖模式。

悲觀鎖更新的方式認為：在更新數據的時候大概率會有其他線程去爭奪共享資源，所以悲觀鎖的做法是：第一個獲取資源的線程會將資源鎖定起來，其他沒爭奪到資源的線程只能進入阻塞隊列，等第一個獲取資源的線程釋放鎖之后，這些線程才能有機會重新爭奪資源。synchronized就是java中悲觀鎖的典型實現，synchronized使用起來非常簡單方便，但是會使沒爭搶到資源的線程進入阻塞狀態，線程在阻塞狀態和Runnable狀態之間切換效率較低（比較慢）。比如你的更新操作其實是非常快的，這種情況下你還用synchronized將其他線程都鎖住了，線程從Blocked狀態切換回Runnable華的時間可能比你的更新操作的時間還要長。

樂觀鎖更新方式認為:在更新數據的時候其他線程爭搶這個共享變量的概率非常小，所以更新數據的時候不會對共享數據加鎖。但是在正式更新數據之前會檢查數據是否被其他線程改變過，如果未被其他線程改變過就將共享變量更新成最新值，如果發現共享變量已經被其他線程更新過了，就重試，直到成功為止。CAS機制就是樂觀鎖的典型實現。

CAS，是Compare and Swap的簡稱，在這個機制中有三個核心的參數：

• 主內存中存放的共享變量的值：V（一般情況下這個V是內存的地址值，通過這個地址可以獲得內存中的值）
• 工作內存中共享變量的副本值，也叫預期值：A
• 需要將共享變量更新到的最新值：B

如上圖中，主存中保存V值，線程中要使用V值要先從主存中讀取V值到線程的工作內存A中，然后計算后變成B值，最后再把B值寫回到內存V值中。多個線程共用V值都是如此操作。CAS的核心是在將B值寫入到V之前要比較A值和V值是否相同，如果不相同證明此時V值已經被其他線程改變，重新將V值賦給A，并重新計算得到B，如果相同，則將B值賦給V。

值得注意的是CAS機制中的這步步驟是原子性的（從指令層面提供的原子操作），所以CAS機制可以解決多線程并發編程對共享變量讀寫的原子性問題。

CAS機制優缺點

缺點

1. ABA問題
ABA問題：CAS在操作的時候會檢查變量的值是否被更改過，如果沒有則更新值，但是帶來一個問題，最開始的值是A，接著變成B，最后又變成了A。經過檢查這個值確實沒有修改過，因為最后的值還是A，但是實際上這個值確實已經被修改過了。為了解決這個問題，在每次進行操作的時候加上一個版本號，每次操作的就是兩個值，一個版本號和某個值，A——>B——>A問題就變成了1A——>2B——>3A。在jdk中提供了AtomicStampedReference類解決ABA問題，用Pair這個內部類實現，包含兩個屬性，分別代表版本號和引用，在compareAndSet中先對當前引用進行檢查，再對版本號標志進行檢查，只有全部相等才更新值。

2. 可能會消耗較高的CPU
看起來CAS比鎖的效率高，從阻塞機制變成了非阻塞機制，減少了線程之間等待的時間。每個方法不能絕對的比另一個好，在線程之間競爭程度大的時候，如果使用CAS，每次都有很多的線程在競爭，也就是說CAS機制不能更新成功。這種情況下CAS機制會一直重試，這樣就會比較耗費CPU。因此可以看出，如果線程之間競爭程度小，使用CAS是一個很好的選擇；但是如果競爭很大，使用鎖可能是個更好的選擇。在并發量非常高的環境中，如果仍然想通過原子類來更新的話，可以使用AtomicLong的替代類：LongAdder。

3. 不能保證代碼塊的原子性
Java中的CAS機制只能保證共享變量操作的原子性，而不能保證代碼塊的原子性。

優點

• 可以保證變量操作的原子性；
• 并發量不是很高的情況下，使用CAS機制比使用鎖機制效率更高；
• 在線程對共享資源占用時間較短的情況下，使用CAS機制效率也會較高。

Java提供的CAS操作類--Unsafe類

從Java5開始引入了對CAS機制的底層的支持，在這之前需要開發人員編寫相關的代碼才可以實現CAS。在原子變量類Atomic中（例如AtomicInteger、AtomicLong）可以看到CAS操作的代碼，在這里的代碼都是調用了底層（核心代碼調用native修飾的方法）的實現方法。在AtomicInteger源碼中可以看getAndSet方法和compareAndSet方法之間的關系，compareAndSet方法調用了底層的實現，該方法可以實現與一個volatile變量的讀取和寫入相同的效果。在前面說到了volatile不支持例如i++這樣的復合操作，在Atomic中提供了實現該操作的方法。JVM對CAS的支持通過這些原子類（Atomic***）暴露出來，供我們使用。

而Atomic系類的類底層調用的是Unsafe類的API，Unsafe類提供了一系列的compareAndSwap*方法，下面就簡單介紹下Unsafe類的API：

• long objectFieldOffset（Field field）方法：返回指定的變量在所屬類中的內存偏移地址，該偏移地址僅僅在該Unsafe函數中訪問指定字段時使用。如下代碼使用Unsafe類獲取變量value在AtomicLong對象中的內存偏移。

  static {
  try {
     valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
         (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
  } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
  }

• int arrayBaseOffset（Class arrayClass）方法：獲取數組中第一個元素的地址。
• int arrayIndexScale（Class arrayClass）方法：獲取數組中一個元素占用的字節。
• boolean compareAndSwapLong（Object obj, long offset, long expect, long update）方法：比較對象obj中偏移量為offset的變量的值是否與expect相等，相等則使用update值更新，然后返回true，否則返回false。
• public native long getLongvolatile（Object obj, long offset）方法：獲取對象obj中偏移量為offset的變量對應volatile語義的值。
• void putLongvolatile（Object obj, long offset, long value）方法：設置obj對象中offset偏移的類型為long的field的值為value，支持volatile語義。
• void putOrderedLong（Object obj, long offset, long value）方法：設置obj對象中offset偏移地址對應的long型field的值為value。這是一個有延遲的putLongvolatile方法，并且不保證值修改對其他線程立刻可見。只有在變量使用volatile修飾并且預計會被意外修改時才使用該方法。
• void park（boolean isAbsolute, long time）方法：阻塞當前線程，其中參數isAbsolute等于false且time等于0表示一直阻塞。time大于0表示等待指定的time后阻塞線程會被喚醒，這個time是個相對值，是個增量值，也就是相對當前時間累加time后當前線程就會被喚醒。如果isAbsolute等于true，并且time大于0，則表示阻塞的線程到指定的時間點后會被喚醒，這里time是個絕對時間，是將某個時間點換算為ms后的值。另外，當其他線程調用了當前阻塞線程的interrupt方法而中斷了當前線程時，當前線程也會返回，而當其他線程調用了unPark方法并且把當前線程作為參數時當前線程也會返回。
• void unpark（Object thread）方法：喚醒調用park后阻塞的線程。

下面是JDK8新增的函數，這里只列出Long類型操作。

• long getAndSetLong（Object obj, long offset, long update）方法：獲取對象obj中偏移量為offset的變量volatile語義的當前值，并設置變量volatile語義的值為update。

  //這個方法只是封裝了compareAndSwapLong的使用，不需要自己寫重試機制
  public final long getAndSetLong(Object var1, long var2, long var4) {
  long var6;
  do {
      var6 = this.getLongVolatile(var1, var2);
  } while(!this.compareAndSwapLong(var1, var2, var6, var4));
  
  return var6;
  }

• long getAndAddLong（Object obj, long offset, long addValue）方法：獲取對象obj中偏移量為offset的變量volatile語義的當前值，并設置變量值為原始值+addValue，原理和上面的方法類似。

CAS使用場景

• 使用一個變量統計網站的訪問量；
• Atomic類操作；
• 數據庫樂觀鎖更新。