CAS实现原理

前言

JUC是java.util.concurrent包的简称，JUC有2大核心，CAS和AQS，CAS是java.util.concurrent.atomic包的基础

@NotThreadSafe
public class CountTest {

    public static int count = 0;

    public static void main(String[] args) {

        //新建一个线程池
        ExecutorService service = Executors.newCachedThreadPool();
        //Java8 lambda表达式执行runnable接口
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            service.execute(() -> {
                for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                    count++;
                }
            });
        }
        //关闭线程池
        service.shutdown();
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("count = " + count);
    }
}

由于这个代码是线程不安全的，所以最终结果有可能小于500，我们可以用synchronized保证操作的原子性和可见性

@ThreadSafe
public class CountTest {

    public static int count = 0;

    public static void main(String[] args) {

        ExecutorService service = Executors.newCachedThreadPool();
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            service.execute(() -> {
                for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                    synchronized (CountTest.class) {
                        count++;
                    }
                }
            });
        }
        service.shutdown();
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("count = " + count);
    }
}

synchronized属于悲观锁，它有一个明显的缺点，它不管数据存不存在竞争都加锁，随着并发量增加，且如果锁的时间比较长，其性能开销将会变得很大。有没有办法解决这个问题？答案是基于冲突检测的乐观锁。这种模式下，已经没有所谓的锁概念了，每个线程都直接先去执行操作，检测是否与其他线程存在共享数据竞争，如果没有则让此操作成功，如果存在共享数据竞争则不断地重新执行操作，直到成功为止，重新尝试的过程叫自旋

java.util.concurrent.atomic包就用到了CAS，如AtomicInteger可以用于Integer类型的原子性操作，可将上述代码改为如下，也是线程安全的

@ThreadSafe
public class CountTest {

    public static AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);

    public static void main(String[] args) {

        ExecutorService service = Executors.newCachedThreadPool();
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            service.execute(() -> {
                for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                    count.getAndIncrement();
                }
            });
        }
        service.shutdown();
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("count = " + count);
    }
}

CAS介绍

CAS（Compare and Swap）, 翻译成比较并交换。

CAS有3个操作数，内存值V，旧的预期值A，要修改的新值B。当且仅当预期值A和内存值V相同时，将内存值V修改为B，否则什么都不做。

源码分析

基于jdk1.8.0_20

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;

AtomicInteger的值保存在value中，通过volatile保证操作的可见性，通过一个静态代码块来保证，类被加载时valueOffset已经有值了

Unsafe是一个不安全的类，提供了一些对底层的操作，我们是不能使用这个类的，valueOffset 是AtomicInteger对象value成员变量在内存中的偏移量

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

//第一个参数为当前这个对象，如count.getAndIncrement()，则这个参数则为count这个对象
//第二个参数为AtomicInteger对象value成员变量在内存中的偏移量
//第三个参数为要增加的值
public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
    int var5;
    do {
        //调用底层方法得到value值
        var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
        //通过var1和var2得到底层值,var5为当前值，如果底层值=当前值，则将值设为var5+var4，并返回true，否则返回false
    } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));

    return var5;
}

这个方法是由其他语言实现的，就不再分析

public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);

并发比较低的时候用CAS比较合适，并发比较高用synchronized比较合适
CAS的缺点

1. 只能保证对一个变量的原子性操作
2. 长时间自旋会给CPU带来压力
3. ABA问题

参考博客

[1]https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzIxMjE5MTE1Nw==&mid=2653192625&idx=1&sn=cbabbd806e4874e8793332724ca9d454&chksm=8c99f36bbbee7a7d169581dedbe09658d0b0edb62d2cbc9ba4c40f706cb678c7d8c768afb666&scene=21#wechat_redirect
[2]https://mp.weixin.qq.com/s/nRnQKhiSUrDKu3mz3vItWg
[3]https://blog.csdn.net/pi9nc/article/details/39177343
[4]https://blog.csdn.net/tanga842428/article/details/52742698