CAS和Unsafe类

CAS介绍

CAS到底是什么,怎么实现的

CAS是JDK提供的非阻塞原子性操作，它通过硬件保证了比较-更新的原子性。
它是非阻塞的且自身原子性，也就是说这玩意效率更高且通过硬件保证，说明这玩意更可靠。
CAS是一条CPU的原子指令（cmpxchg指令），不会造成所谓的数据不一致问题，Unsafe提供的CAS方法（如compareAndSwapXXX）底层实现即为CPU指令cmpxchg。
执行cmpxchg指令的时候，会判断当前系统是否为多核系统，如果是就给总线加锁，只有一个线程会对总线加锁成功，加锁成功之后会执行cas操作，也就是说CAS的原子性实际上是CPU实现的， 其实在这一点上还是有排他锁的，只是比起用synchronized， 这里的排他时间要短的多， 所以在多线程情况下性能会比较好

依赖于CPU原语

CAS并发原语体现在JAVA语言中就是sun.misc.Unsafe类中的各个方法。调用UnSafe类中的CAS方法，JVM会帮我们实现出CAS汇编指令。这是一种完全依赖于硬件的功能，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语范畴，是由若干条指令组成的，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被中断，也就是说CAS是一条CPU的原子指令，不会造成所谓的数据不一致问题

CAS的原子类

例如AtomicInteger

    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;

变量valueOffset，表示该变量值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的。
变量value用volatile修饰，保证了多线程之间的内存可见性
获取Unsafe类的单例,去调用native方法,用c++底层的语言去直接修改内存中的值

Unsafe类揭秘

是CAS的核心类，由于Java方法无法直接访问底层系统，需要通过本地（native）方法来访问，Unsafe相当于一个后门，基于该类可以直接操作特定内存的数据。Unsafe类存在于sun.misc包中，其内部方法操作可以像C的指针一样直接操作内存，因为Java中CAS操作的执行依赖于Unsafe类的方法。

注意Unsafe类中的所有方法都是native修饰的，也就是说Unsafe类中的方法都直接调用操作系统底层资源执行相应任务

总结

CAS是靠硬件实现的从而在硬件层面提升效率，最底层还是交给硬件来保证原子性和可见性
实现方式是基于硬件平台的汇编指令，在intel的CPU中(X86机器上)，使用的是汇编指令cmpxchg指令。
核心思想就是：比较要更新变量的值V和预期值E（compare），相等才会将V的值设为新值N（swap）如果不相等自旋再来。

CAS自旋锁示例

就是与Unsafe类的操作类似,进行自我的循环判断 直到更新成功为止(个人感觉这个类似一种乐观锁的策略,如果大量的请求都在cas循环等待的话 肯定也会非常吃cpu的资源性能)

package juc.cas;

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

public class SpinLockDemo {

    AtomicReference<Thread> data = new AtomicReference<>();

    public void myLock() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "come in");
        do {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在获取自旋锁");
        } while (!data.compareAndSet(null, Thread.currentThread()));
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获取自旋锁成功");
    }

    public void myUnLock() {
        data.compareAndSet(Thread.currentThread(), null);
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "unLock");
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        SpinLockDemo spinLockDemo = new SpinLockDemo();
        new Thread(() -> {
            spinLockDemo.myLock();
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(5L);
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
            spinLockDemo.myUnLock();
        }, "t1").start();
        new Thread(() -> {
            spinLockDemo.myLock();
            spinLockDemo.myUnLock();
        }, "t2").start();
    }

}

CAS的缺点

CPU的问题

如果多个线程进入了CAS自旋的状态会导致cpu空转,影响cpu的性能,甚至有可能导致锁饥饿的问题(就是可能会有线程一直旋转获取不到锁).

ABA的问题

CAS算法实现一个重要前提需要取出内存中某时刻的数据并在当下时刻比较并替换，那么在这个时间差类会导致数据的变化

解决办法: AtomicStampedReference 原子类的邮戳方法(带上一个唯一的版本号去比较 不符合就失败)

static AtomicStampedReference atomicStampedReference = new AtomicStampedReference(100,1);

    public static void main(String[] args)
    {
        new Thread(() -> {
            atomicInteger.compareAndSet(100,101);
            atomicInteger.compareAndSet(101,100);
        },"t1").start();

        new Thread(() -> {
            //暂停一会儿线程
            try { Thread.sleep( 500 ); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); };            System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(100, 2019)+"\t"+atomicInteger.get());
        },"t2").start();

        //暂停一会儿线程,main彻底等待上面的ABA出现演示完成。
        try { Thread.sleep( 2000 ); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }

        System.out.println("============以下是ABA问题的解决=============================");

        new Thread(() -> {
            int stamp = atomicStampedReference.getStamp();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t 首次版本号:"+stamp);//1
            //暂停一会儿线程,
            try { Thread.sleep( 1000 ); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }
            atomicStampedReference.compareAndSet(100,101,atomicStampedReference.getStamp(),atomicStampedReference.getStamp()+1);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t 2次版本号:"+atomicStampedReference.getStamp());
            atomicStampedReference.compareAndSet(101,100,atomicStampedReference.getStamp(),atomicStampedReference.getStamp()+1);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t 3次版本号:"+atomicStampedReference.getStamp());
        },"t3").start();

        new Thread(() -> {
            int stamp = atomicStampedReference.getStamp();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t 首次版本号:"+stamp);//1
            //暂停一会儿线程，获得初始值100和初始版本号1，故意暂停3秒钟让t3线程完成一次ABA操作产生问题
            try { Thread.sleep( 3000 ); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }
            boolean result = atomicStampedReference.compareAndSet(100,2019,stamp,stamp+1);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t"+result+"\t"+atomicStampedReference.getReference());
        },"t4").start();
    }