并发编程CAS操作

并发编程CAS操作

简介

CAS即compare and swap，中文就是比较并交换

CAS是Java并发包的基石

原理

其实CAS的原理相对来说比较简单。将要被改变的数据和期望的值作比较，当两个值相等时，再将数值替换成新值。

其实通俗的来讲就是"我认为原有的值是什么样子，如果一样则将原有的值更换成新值，否则不做修改，并返回原有的值"。这一系列操作是原子的。

CAS 指的是现代CPU广泛支持的一种对内存中的共享数据进行操作的一种特殊指令

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，否则返回V。这是一种乐观锁的思路

使用CAS可以实现非阻塞无锁的方式实现原子操作

实例

在java并发包中有java.util.concurrent.atomic这样一个包，该包是对Java部分数据类型的原子封装，通过CAS提供了原子性的操作方法，保证了线程安全。

如下代码

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 6214790243416807050L;

    // 使用Unsafe包来实现CAS操作
    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); }
    }

    //使用volatile修饰符保证值value的线程可见性
    private volatile int value;

    /**
     * Creates a new AtomicInteger with the given initial value.
     *
     * @param initialValue the initial value
     */
    public AtomicInteger(int initialValue) {
        value = initialValue;
    }

    /**
     * Creates a new AtomicInteger with initial value {@code 0}.
     */
    public AtomicInteger() {
    }

    /**
     * 获得当前值
     *
     * @return the current value
     */
    public final int get() {
        return value;
    }

    /**
     * 设置值
     *
     * @param newValue the new value
     */
    public final void set(int newValue) {
        value = newValue;
    }

    /**
     * Eventually sets to the given value.
     *
     * @param newValue the new value
     * @since 1.6
     */
    public final void lazySet(int newValue) {
        unsafe.putOrderedInt(this, valueOffset, newValue);
    }

    /**
     * 原子性的设置新值，返回新值
     *
     * @param newValue the new value
     * @return the previous value
     */
    public final int getAndSet(int newValue) {
        for (;;) {
            int current = get();
            if (compareAndSet(current, newValue))
                return current;
        }
    }

    /**
     * 比较内存中的值和预期值，如果相同则更新，否则不进行操作
     *
     * @param expect the expected value
     * @param update the new value
     * @return true if successful. False return indicates that
     * the actual value was not equal to the expected value.
     */
    public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
    }

    /**
     * Atomically sets the value to the given updated value
     * if the current value {@code ==} the expected value.
     *
     * <p>May <a href="package-summary.html#Spurious">fail spuriously</a>
     * and does not provide ordering guarantees, so is only rarely an
     * appropriate alternative to {@code compareAndSet}.
     *
     * @param expect the expected value
     * @param update the new value
     * @return true if successful.
     */
    public final boolean weakCompareAndSet(int expect, int update) {
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
    }

    /**
     * 原子性的增加1，并返回当前值.
     *
     * @return the previous value
     */
    public final int getAndIncrement() {
        for (;;) {
            int current = get();
            int next = current + 1;
            if (compareAndSet(current, next))
                return current;
        }
    }

    /**
     * 原子性的减少1，并返回当前值.
     *
     * @return the previous value
     */
    public final int getAndDecrement() {
        for (;;) {
            int current = get();
            int next = current - 1;
            if (compareAndSet(current, next))
                return current;
        }
    }

    /**
     * 原子性的增加给定的值，并返回当前值.
     *
     * @param delta the value to add
     * @return the previous value
     */
    public final int getAndAdd(int delta) {
        for (;;) {
            int current = get();
            int next = current + delta;
            if (compareAndSet(current, next))
                return current;
        }
    }

    /**
     * 原子性的增加1，并返回更新后的值.
     *
     * @return the updated value
     */
    public final int incrementAndGet() {
        for (;;) {
            int current = get();
            int next = current + 1;
            if (compareAndSet(current, next))
                return next;
        }
    }

    /**
     * 原子性的减少1，并放回更新后的值.
     *
     * @return the updated value
     */
    public final int decrementAndGet() {
        for (;;) {
            int current = get();
            int next = current - 1;
            if (compareAndSet(current, next))
                return next;
        }
    }

    /**
     * 原子性的增加给定的值，并返回更新后的值.
     *
     * @param delta the value to add
     * @return the updated value
     */
    public final int addAndGet(int delta) {
        for (;;) {
            int current = get();
            int next = current + delta;
            if (compareAndSet(current, next))
                return next;
        }
    }

    /**
     * Returns the String representation of the current value.
     * @return the String representation of the current value.
     */
    public String toString() {
        return Integer.toString(get());
    }

    public int intValue() {
        return get();
    }

    public long longValue() {
        return (long)get();
    }

    public float floatValue() {
        return (float)get();
    }

    public double doubleValue() {
        return (double)get();
    }

}

CAS的缺点

• CAS的ABA问题

问题描述

• 线程p1在共享变量中读取到值A
• p1被抢占,进程p2执行
• p2把共享变量里的值从A改成了B，再改回到A，此时被p1抢占。
• p1回来看到共享变量里的值没有被改变，于是继续执行。

• 维基百科上的例子

• 你拿着一个装满钱的手提箱在飞机场，此时过来了一个火辣性感的美女，然后她很暖昧地挑逗着你，并趁你不注意的时候，把用一个一模一样的手提箱和你那装满钱的箱子调了个包，然后就离开了，你看到你的手提箱还在那，于是就提着手提箱去赶飞机去了

• CAS的ABA的解决办法

ABA问题的解决思路就是使用版本号。在变量前面追加上版本号，每次变量更新的时候把版本号加一

从Java1.5开始JDK的atomic包里提供了一个类AtomicStampedReference来解决ABA问题。这个类的compareAndSet方法作用是首先检查当前引用是否等于预期引用，并且当前标志是否等于预期标志，如果全部相等，则以原子方式将该引用和该标志的值设置为给定的更新值

• 循环时间长开销大

自旋CAS如果长时间不成功，会给CPU带来非常大的执行开销。如果JVM能支持处理器提供的pause指令那么效率会有一定的提升，pause指令有两个作用，第一它可以延迟流水线执行指令（de-pipeline）,使CPU不会消耗过多的执行资源，延迟的时间取决于具体实现的版本，在一些处理器上延迟时间是零。第二它可以避免在退出循环的时候因内存顺序冲突（memory order violation）而引起CPU流水线被清空（CPU pipeline flush），从而提高CPU的执行效率

• 只能保证一个共享变量的原子操作

当对一个共享变量执行操作时，我们可以使用循环CAS的方式来保证原子操作，但是对多个共享变量操作时，循环CAS就无法保证操作的原子性，这个时候就可以用锁，或者有一个取巧的办法，就是把多个共享变量合并成一个共享变量来操作。比如有两个共享变量i＝2,j=a，合并一下ij=2a，然后用CAS来操作ij。从Java1.5开始JDK提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性，你可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作