原子操作CAS

原子操作CAS

1、CAS的基本原理

利用了现代处理器都支持的CAS的指令，循环这个指令，直到成功为止

CAS（Compare And Swap），指令级别保证了这是一个原子操作（指操作不会被线程调度机制打断）

它有3个操作数：内存值V，预期值A，更新值B，如果内存值V和期望值A相等，就把V修改为B，循环CAS操作，直到成功为止。

cas自旋.png

以AtomicInteger为例：

//++i
public final int incrementAndGet() {
  return U.getAndAddInt(this, VALUE, 1) + 1;
}
//i++
public final int getAndIncrement() {
  return U.getAndAddInt(this, VALUE, 1);
}
//额外提供了compareAndSet方法，第一个期望值，第二个希望修改成的值
public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
  return U.compareAndSwapInt(this, VALUE, expect, update);
}

//Unsafe类
public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
  int var5;
  do {
    var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
    ////compareAndSwapInt是一个native方法，CPU原语指令，是连续执行不会被打断的，所以可以保证原子性。
  } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));
  return var5;
}

AtomicInteger由硬件提供原子操作指令实现的。在非激烈竞争的情况下，开销更小，速度更快。

public static void main(String[] args) {
  AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(6);
  //true
  System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(6,66));
  //false
  System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(6,66));
}

AtomicInteger的compareAndSet方法就是CAS操作：

初始值6，调用 compareAndSet(6,66)，期望值为6(相等)，主内存中的值被修改为66，输出true；

第2次调用 compareAndSet(6,66)，期望值为6，但此时主内存中的值为66，输出false。

2、CAS的问题

• ABA问题

  变量A，修改为变量B，然后又修改为A，实际上已经修改过了。

  对于这个问题，每次修改加上类似版本戳的方式，JDK提供了：

  AtomicMarkableReference：是否修改过

  AtomicStampedReference：改过几次

• 开销问题

  自旋CAS不成功，就会一直循环执行，直到成功，如果长时间不成功，会给CPU带来大的执行开销。

• 只能保证一个共享变量的原子操作

  这个问题可以采用合并共享变量的方式处理，JDK提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性，就可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作