JUC_CAS

什么是CAS

CAS的全称为Compare-And-Swap ,它是一条CPU并发原语.
它的功能是判断内存某个位置的值是否为预期值,如果是则更新为新的值,这个过程是原子的.

CAS并发原语体现在Java语言中就是sun.miscUnSaffe类中的各个方法.调用UnSafe类中的CAS方法,JVM会帮我实现CAS汇编指令.这是一种完全依赖于硬件功能,通过它实现了原子操作,再次强调,由于CAS是一种系统原语,原语属于操作系统用于范畴,是由若干条指令组成,用于完成某个功能的一个过程,并且原语的执行必须是连续的,在执行过程中不允许中断,也即是说CAS是一条原子指令,不会造成所谓的数据不一致的问题.

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;
}

• var1 AtomicInteger对象本身.
• var2 该对象值的引用地址
• var4 需要变动的数值
• var5 是用过var1 var2找出内存中的值
  用该对象当前的值与var5比较
  如果相同,更新var5的值并且返回true
  如果不同,继续取值然后比较,直到更新完成

假设线程A和线程B两个线程同时执行getAndAddInt操作(分别在不同的CPU上):

1. AtomicInteger里面的value原始值为3,即主内存中AtomicInteger的value为3,根据JMM模型,线程A和线程B各自持有一份值为3的value的副本分别到各自的工作内存.

2. 线程A通过getIntVolatile(var1,var2) 拿到value值3,这是线程A被挂起.

3. 线程B也通过getIntVolatile(var1,var2) 拿到value值3,此时刚好线程B没有被挂起并执行compareAndSwapInt方法比较内存中的值也是3 成功修改内存的值为4 线程B打完收工 一切OK.

4. 这是线程A恢复,执行compareAndSwapInt方法比较,发现自己手里的数值和内存中的数字4不一致,说明该值已经被其他线程抢先一步修改了,那A线程修改失败,只能重新来一遍了.

5. 线程A重新获取value值,因为变量value是volatile修饰,所以其他线程对他的修改,线程A总是能够看到,线程A继续执行compareAndSwapInt方法进行比较替换,直到成功.

UnSafe类

源码中

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;

1. UnSafe
   CAS的核心类，由于Java 方法无法直接访问底层 ,需要通过本地(native)方法来访问,UnSafe相当于一个后面,基于该类可以直接操作特额定的内存数据.UnSafe类在于sun.misc包中,其内部方法操作可以向C的指针一样直接操作内存,因为Java中CAS操作的中心依赖于UnSafe类的方法.

注意UnSafe类中所有的方法都是native修饰的,也就是说UnSafe类中的方法都是直接调用操作底层资源执行响应的任务

2. 变量ValueOffset,便是该变量在内存中的偏移地址,因为UnSafe就是根据内存偏移地址获取数据.

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

3. 变量value和volatile修饰,保证了多线程之间的可见性.

CAS缺点

• 如果出现长时间循环的情况，开销大
• 只能保证一个共享变量的原子性
• ABA问题

ABA问题

问题的产生

CAS会导致ABA问题。

CAS算法实现一个重要前提需要去除内存中某个时刻的数据并在当下时刻比较并替换，那么在这个时间差内会导致数据的变化。

比如说一个线程one从内存位置v中取出了a，这时另一个线程two也从内存总取出了a，并且线程two进行了一些操作将a变成了b，然后线程two又将v位置的数据变成a，这时候线程one进行CAS操作发现内存中仍然是a，然后线程one操作成功。

尽管线程one的CAS操作成功，但是不代表这个过程是没有问题的。

AtomicStampedReference

引入版本号解决ABA问题

import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicStampedReference;

public class ABADemo {
    private static AtomicReference<Integer> atomicReference = new AtomicReference<>(100);
    private static AtomicStampedReference<Integer> stampedReference = new AtomicStampedReference<>(100, 1);

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("===以下是ABA问题的产生===");
        new Thread(() -> {
            atomicReference.compareAndSet(100, 101);
            atomicReference.compareAndSet(101, 100);
        }, "t1").start();

        new Thread(() -> {
            //先暂停1秒 保证完成ABA
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(atomicReference.compareAndSet(100, 2019) + "\t" + atomicReference.get());
        }, "t2").start();
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("===以下是ABA问题的解决===");

        new Thread(() -> {
            int stamp = stampedReference.getStamp();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 第1次版本号" + stamp + "\t值是" + stampedReference.getReference());
            //暂停1秒钟t3线程
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }

            stampedReference.compareAndSet(100, 101, stampedReference.getStamp(), stampedReference.getStamp() + 1);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 第2次版本号" + stampedReference.getStamp() + "\t值是" + stampedReference.getReference());
            stampedReference.compareAndSet(101, 100, stampedReference.getStamp(), stampedReference.getStamp() + 1);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 第3次版本号" + stampedReference.getStamp() + "\t值是" + stampedReference.getReference());
        }, "t3").start();

        new Thread(() -> {
            int stamp = stampedReference.getStamp();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 第1次版本号" + stamp + "\t值是" + stampedReference.getReference());
            //保证线程3完成1次ABA
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            boolean result = stampedReference.compareAndSet(100, 2019, stamp, stamp + 1);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 修改成功否" + result + "\t最新版本号" + stampedReference.getStamp());
            System.out.println("最新的值\t" + stampedReference.getReference());
        }, "t4").start();
    }
}