Java的CAS乐观锁原理解析

原创

JavaEdge

修改于 2020-01-07 09:53:57

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CAS全称 Compare And Swap（比较与交换），在不使用锁的情况下实现多线程之间的变量同步。属于硬件同步原语，处理器提供了基本内存操作的原子性保证。juc包中的原子类就是通过CAS来实现了乐观锁。

CAS算法涉及到三个操作数：

需要读写的内存值 V。
进行比较的旧值A (期望操作前的值)
要写入的新值 B。

当且仅当 V 的值等于 A 时，CAS通过原子方式用新值B来更新V的值（“比较+更新”整体是一个原子操作），否则不会执行任何操作。一般情况下，“更新”是一个不断重试的过程。

JAVA中的sun.misc.Unsafe类,提供了

compareAndSwapInt
compareAndSwapLong

等方法实现CAS。

示例

J.U.C包内的原子操作封装类

看一下AtomicInteger的源码定义：

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;

各属性的作用：

unsafe：获取并操作内存的数据
valueOffset：存储value在AtomicInteger中的偏移
value：存储AtomicInteger的int值，该属性需要借助volatile关键字保证其在线程间的可见性

接着查看自增方法incrementAndGet的源码时，发现自增函数底层调用的是unsafe.getAndAddInt。但是由于JDK本身只有Unsafe.class，只通过class文件中的参数名，并不能很好的了解方法的作用，所以我们通过OpenJDK 8 来查看Unsafe的源码：

// ------------------------- JDK 8 -------------------------
// AtomicInteger 的自增方法
public final int incrementAndGet() {
  return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
}

// Unsafe.class
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;
}

// ------------------------- OpenJDK 8 -------------------------
// Unsafe.java
public final int getAndAddInt(Object o, long offset, int delta) {
   int v;
   do {
       v = getIntVolatile(o, offset);
   } while (!compareAndSwapInt(o, offset, v, v + delta));
   return v;
}

由源码可看出，getAndAddInt()循环获取给定对象o中的偏移量处的值v，然后判断内存值是否等于v。

如果相等则将内存值设置为 v + delta
否则返回false，继续循环进行重试，直到设置成功才能退出循环，并且将旧值返回

整个“比较+更新”操作封装在compareAndSwapInt()中，通过JNI使用CPU指令完成的，属于原子操作，可以保证多个线程都能够看到同一个变量的修改值。

JDK通过CPU的cmpxchg指令，去比较寄存器中的 A 和内存中的值 V。如果相等，就把要写入的新值 B 存入内存中。如果不相等，就将内存值 V 赋值给寄存器中的值 A。然后通过Java代码中的while循环再次调用cmpxchg指令进行重试，直到设置成功为止。

CAS的问题

循环+CAS

自旋的实现让所有线程都处于高频运行，争抢CPU执行时间的状态。CAS操作如果长时间不成功，会导致其一直自旋，如果操作长时间不成功，会带来很大的CPU资源消耗。

只能保证一个共享变量的原子操作

对一个共享变量执行操作时，CAS能够保证原子操作，但是对多个共享变量操作时，CAS是无法保证操作的原子性的。 Java从1.5开始JDK提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性，可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作。

ABA问题(无法体现数据的变动)

CAS需要在操作值的时候检查内存值是否发生变化，没有发生变化才会更新内存值。但是如果内存值原来是A，后来变成了B，然后又变成了A，那么CAS进行检查时会发现值没有发生变化，但是实际上是有变化的。 ABA问题的解决思路就是在变量前面添加版本号，每次变量更新的时候都把版本号加一，这样变化过程就从“A－B－A”变成了“1A－2B－3A”。

JDK从1.5开始提供了AtomicStampedReference类来解决ABA问题，具体操作封装在compareAndSet()中。 compareAndSet()首先检查当前引用和当前标志与预期引用和预期标志是否相等，如果都相等，则以原子方式将引用值和标志的值设置为给定的更新值。不过目前来说这个类比较”鸡肋”，大部分情况下 ABA 问题并不会影响程序并发的正确性，如果需要解决 ABA 问题，使用传统的互斥同步可能比原子类更加高效。

只能保证一个共享变量的原子操作。对一个共享变量执行操作时，CAS能够保证原子操作，但是对多个共享变量操作时，CAS是无法保证操作的原子性的。 Java从1.5开始JDK提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性，可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作。