atomic 包底层实现原理

Posted 2021-06-18 hanease

一、概念介绍
（一）volatile关键字

Java 因为指令重排序，优化我们的代码，让程序运行更快，也随之带来了多线程下，指令执行顺序的不可控。

1.volatile关键字的作用：

内存可见性，修饰的变量发生改变之后对所有线程立即可见
禁止指令重排序
volatile的底层是通过内存屏障实现的，第一个作用是禁止指令重排。内存屏障另一个作用是强制更新一次不同 CPU 的缓存。

synchronized 看作重量级的锁，而 volatile 看作轻量级的锁 。synchronized使用的锁的层面是在JVM层面，虚拟机处理字节码文件实现相关指令。volatile 底层使用多核处理器实现的 lock 指令，更底层，消耗代价更小。

（二）CAS

CAS 的全称是 Compare-And-Swap , 它是一条 CPU 并发原语。

CAS 并不是一种实际的锁，它仅仅是实现乐观锁的一种思想，java 中的乐观锁（如自旋锁）基本都是通过 CAS 操作实现的，CAS 是一种更新的原子操作，比较当前值跟传入值是否一样，一样则更新，否则失败。

乐观锁一般会使用版本号机制或 CAS 算法实现

1.版本号机制

一般是在数据表中加上一个数据版本号 version 字段，表示数据被修改的次数，当数据被修改时，version 值会加一。当线程 A 要更新数据值时，在读取数据的同时也会读取 version 值，在提交更新时，若刚才读取到的 version 值为当前数据库中的 version 值相等时才更新，否则重试更新操作，直到更新成功。

2.CAS 算法

即 compare and swap（比较与交换），是一种有名的无锁算法。无锁编程，即不使用锁的情况下实现多线程之间的变量同步，也就是在没有线程被阻塞的情况下实现变量的同步，所以也叫非阻塞同步（Non-blocking Synchronization）。 CAS 算法涉及到三个操作数

需要读写的内存值 V
进行比较的值 A
拟写入的新值 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，否则不会执行任何操作（比较和替换是一个原子操作）。一般情况下是一个自旋操作，即不断的重试。

3.synchronized与CAS的比较

synchronized涉及线程之间的切换，存在用户状态和内核状态的切换，耗费巨大。CAS只是CPU的一条原语，是一个原子操作，消耗较少。

二、atomic 的实现原理
Atomic 包中的类基本的特性就是在多线程环境下，当有多个线程同时对单个（包括基本类型及引用类型）变量进行操作时，具有排他性，即当多个线程同时对该变量的值进行更新时，仅有一个线程能成功，而未成功的线程可以向自旋锁一样，继续尝试，一直等到执行成功。

Atomic 系列的类中的核心方法都会调用 unsafe 类中的几个本地方法。这个类包含了大量的对 C 代码的操作，包括很多直接内存分配以及原子操作的调用，而它之所以标记为非安全的，是告诉你这个里面大量的方法调用都会存在安全隐患。unsafe 是 java 提供的获得对对象内存地址访问的类，它的作用就是在更新操作时提供 “比较并替换” 的作用。

CAS 并发原语现在 Java 语言中就是 sun.misc.Unsafe 类的各个方法，调用 Unsafe 类中的 CAS 方法，JVM 会帮我们实现 CAS 汇编指令，这是一种完全依赖硬件的功能，通过它实现了原子操作，由于 CAS 是一种系统原语，原语属于操作系统用语范畴，是由于诺干条指令组成的，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 原子指令，不会造成所谓的数据不一致问题。

可以看出atomic证原子性就是通过：自旋 + CAS（乐观锁）

仔细分析 concurrent 包的源代码实现，会发现一个通用化的实现模式：

首先，声明共享变量为 volatile；

然后，使用 CAS 的原子条件更新来实现线程之间的同步；

同时，配合以 volatile 的读 / 写和 CAS 所具有的 volatile 读和写的内存语义来实现线程之间的通信。

优缺点：

CAS 相对于其他锁，不会进行内核态操作，有着一些性能的提升。但同时引入自旋，当锁竞争较大的时候，自旋次数会增多。cpu 资源会消耗很高。CAS + 自旋适合使用在低并发有同步数据的应用场景。

三、atomic 的 ABA问题
多个线程即可以入列也可以出列，也就是数据的操作方向不一致，那么可能出现 ABA 的情况。

T1 线程准备出栈，对于出栈操作我们只需要将栈顶位置由 sp 通过 CAS 操作更新为 newSP 即可，如图 1 所示。但是在 T1 线程执行 tail.compareAndSet (sp,newSP) 之前系统进行了线程调度，T2 线程开始执行。T2 执行了三个操作，A 出栈，B 出栈，然后又将 A 入栈。此时系统又开始调度，T1 线程继续执行出栈操作，但是在 T1 线程看来，栈顶元素仍然为 A，（即 T1 仍然认为 B 还是栈顶 A 的下一个元素），而实际上的情况如图 2 所示。T1 会认为栈没有发生变化，所以 tail.compareAndSet (sp,newSP) 执行成功，栈顶指针被指向了 B 节点。而实际上 B 已经不存在于堆栈中，T1 将 A 出栈后的结果如图 3 所示，这显然不是正确的结果。

解决方法：

除了要比较当对象的前值和预期值以外，还要比较当前（操作的）戳值和预期（操作的）戳值，当全部相同时，compareAndSet 方法才能成功。每次更新成功，戳值都会发生变化，戳值的设置是由编程人员自己控制的。
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