CAS自旋锁，看这一篇就够了
Posted 步尔斯特
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了CAS自旋锁，看这一篇就够了相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
前序
时隔多年，杰伦终于出了新专辑，《最伟大的作品》让我们穿越到1920年，见到了马格利特的绿苹果、大利的超现实、常玉画的大腿、莫奈的睡莲、徐志摩的诗…
他说“最伟大的作品”并不是自己的歌，而是这个世界上最伟大的艺术作品们。
为什么要写CAS自旋锁呢？最近看了一下Java实现随机数的几种方式，研究研究就研究到量子力学去了，所以还是回归代码上来，看了看底层实现都是用的CAS，正好又赶上周董发歌，就凑个巧吧～
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CAS核心原理
CAS即Compare and Swap，翻译成比较并交换。
CAS是一种乐观锁，所谓乐观锁就是，每次不加锁而是假设没有冲突而去完成某项操作，如果因为冲突失败就重试，直到成功为止。
【至于其他的各种锁，我们下一篇再谈论，本篇主要讲解CAS】
CAS 操作包含三个操作数 —— 内存位置V、预期原值A和新值B。
如果内存位置的值与预期原值相匹配，那么处理器会自动将该内存位置值更新为新值 ，否则，处理器不做任何操作。
i++和++i是原子操作么
先说答案：不是。
反编译成字节码文件就很容易看出来此非原子性操作，先是getfield，然后再iadd。
i++大体分为三步：
- 栈中取出i
- i自增1
- 将i存到栈
++i
在多核的机器上，cpu在读取内存i时也会可能发生同时读取到同一值，这就导致两次自增，实际只增加了一次。
++i 如何实现原子性
【++i是如何实现原子性】
代码实现
public final int incrementAndGet()
// 死循环
for (;;)
// 预期原值（A）
int current = get();
// 新值(B)
int next = current + 1;
// CAS操作
if (compareAndSet(current, next))
// 成功则返回结果
return next;
这里采用了CAS操作，每次从内存中读取数据然后将此数据和+1后的结果进行CAS操作，如果成功就返回结果，否则重试直到成功为止。
#compareAndSet利用JNI来完成CPU指令的操作
/**
* Atomically sets the value to the given updated value
* if the current value @code == the expected value.
*
* @param expect the expected value
* @param update the new value
* @return @code 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);
深入到#compareAndSwapInt方法，你会发现它是通过JNI方法实现的
public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);
这个方法到底做了什么事呢？应该做了两件事情。
- 当前内存位置V是否等于预期原值A
- 如果等于就将内存位置V更新为新值B，反正返回false
为了更清晰、直观的说明这里存在的问题，我们用代码说明。
// 1.当前内存位置V是否等于预期原值A
if (V == A)
// 2.如果等于就将内存位置V更新为新值B
V = B;
return true;
else
// 反正返回false
return false;
这里存在一个问题，如何保证步骤1和步骤2的原子性呢？
那么，我们接下来的问题，就要探究一下compareAndSwapInt的实现了。
上面我们提到，CAS是通过调用JNI的代码实现的。
JNI:Java Native Interface为JAVA本地调用，允许java调用其他语言，JNI方法最终会通过 Jni.dvmCallJNIMethod() -> dvmPlatformInvoke() 来根据不同cpu架构实现进行调用，具体如何使用，我们下一篇再聊。
如何用Java调用C++
算了，我就先给大家写一个小demo，让大家先简单的了解一下如何使用Java调用其他语言。
第一步：
写一个测试类
package com.ossa.producer.jni;
/**
* JNI测试类
*
* @author issavior
*/
public class JniUnit
/**
* 调用本地方法
*/
public native void sayHello();
/**
* 静态块用来加载库，jni.so需要我们手动生成，放在该路径下
*/
static
System.load("/Users/issavior/java/mygit/ossa/ossa-service-producer/src/main/resources/jni.so");
/**
* 程序入口
*
* @param args 参数
*/
public static void main(String[] args)
new JniUnit().sayHello();
第二步：
如果是Maven项目，可以通过mvn命令来编译该Java文件，如果不是，就用javac编译即可，我这里采用mavan方式。
第三步：
在class路径下，执行javah命令
issavior@issavior classes %
javah com.ossa.producer.jni.JniUnit
之后会生成jni头文件com_ossa_producer_jni_JniUnit.h：
/* DO NOT EDIT THIS FILE - it is machine generated */
#include "jni.h"
/* Header for class com_ossa_producer_jni_JniUnit */
#ifndef _Included_com_ossa_producer_jni_JniUnit
#define _Included_com_ossa_producer_jni_JniUnit
#ifdef __cplusplus
extern "C"
#endif
/*
* Class: com_ossa_producer_jni_JniUnit
* Method: sayHello
* Signature: ()I
*/
JNIEXPORT void JNICALL Java_com_ossa_producer_jni_JniUnit_sayHello
(JNIEnv *, jobject);
#ifdef __cplusplus
#endif
#endif
第四步：
编写实现的c文件jniUnit.c，引入刚才生成的头文件和方法实现
#include "com_ossa_producer_jni_JniUnit.h"
JNIEXPORT void JNICALL Java_com_ossa_producer_jni_JniUnit_sayHello
(JNIEnv * env, jobject obj)
printf("hello JNI");
从你的$JAVA_HOME/include/ 目录和$JAVA_HOME/include/darwin/目录下分别找到jni.h和 jni_md.h头复制到当前目录【mac的话，首先需要shift+command+.打开隐藏文件】
执行 gcc -shared -fPIC -o jni.so jniUnit.c 进行编译生成动态库
如果此时报如下错误
就将com_ossa_producer_jni_JniUnit.h文件中#include <jni.h>修改为#include "jni.h"
编译成功后当前目录会出现jni.so文件，放置到指定的目录下即可。
最后测试我们的JniUnit类，成功！
到此，我已经亲手带大家完成了Java调用其他语言的小案例，这样大家是不是对native方法有了更深的了解，而compareAndSwapInt就是借助C来调用CPU底层的指令（cmpxchg）来实现的。
cmpxchg是一个原子指令，这个指令是给数据总线进行加锁，所以是线程安全的。
那我们就来分析一下它的源码吧，那么如何找到本地方法实现的位置呢？
JNI命名规范
通过上面的案例，我们可以知道javah可以帮助我们生成头文件，那么大家就会发现native方法的本地方法名是遵循一定的规则生成的。因此可以先生成对应的本地方法名，然后再到源码中搜索。
根据 JNI 的本地方法名生成规范：
- 前缀为 Java_
- 完全限定的类名（包括包名和类的全路径），中间以 _ 分割
- 方法名
- 对于重载的 native 方法，方法名后要再跟上 __ 和参数标签
我们可以推断出 intern 方法的本地方法名：
- 以 Java_ 开头
- 包名转换后为 java_lang_String
- 方法名为 intern
- 拼接后结果为 Java_sun_misc_Unsafe_compareAndSwapInt
compareAndSwarpInt源码分析
在unsafe.cpp文件中，可以找到compareAndSwarpInt的实现：
UNSAFE_ENTRY(jboolean, Unsafe_CompareAndSwapInt(JNIEnv *env, jobject unsafe, jobject obj, jlong offset, jint e, jint x))
UnsafeWrapper("Unsafe_CompareAndSwapInt");
// 将Java对象解析成JVM的oop（普通对象指针）
oop p = JNIHandles::resolve(obj);
// 根据对象p和地址偏移量找到地址
jint* addr = (jint *) index_oop_from_field_offset_long(p, offset);
// //基于cas比较并替换， x表示需要更新的值，addr表示state在内存中的地址，e表示预期值
return (jint)(Atomic::cmpxchg(x, addr, e)) == e;
UNSAFE_END
CAS缺点
CAS虽然很高效的解决原子操作，但是CAS仍然存在三大问题。
ABA问题
如果一个值原来是A，变成了B，又变成了A，那么使用CAS进行检查时会发现它的值没有发生变化，但是实际上却变化了。
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，那么A－B－A 就会变成1A-2B－3A。
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。
// 静态内部类，封装了 变量引用 和 版本号
private static class Pair<T>
final T reference; // 变量引用
final int stamp; // 版本号
private Pair(T reference, int stamp)
this.reference = reference;
this.stamp = stamp;
static <T> Pair<T> of(T reference, int stamp)
return new Pair<T>(reference, stamp);
private volatile Pair<V> pair;
/**
*
* @param initialRef 初始变量引用
* @param initialStamp 版本号
*/
public AtomicStampedReference(V initialRef, int initialStamp)
pair = Pair.of(initialRef, initialStamp);
常用方法
// 构造函数，初始化引用和版本号
public AtomicStampedReference(V initialRef, int initialStamp)
// 以原子方式获取当前引用值
public V getReference()
// 以原子方式获取当前版本号
public int getStamp()
// 以原子方式获取当前引用值和版本号
public V get(int[] stampHolder)
// 以原子的方式同时更新引用值和版本号
// 当期望引用值不等于当前引用值时，操作失败，返回false
// 当期望版本号不等于当前版本号时，操作失败，返回false
// 在期望引用值和期望版本号同时等于当前值的前提下
// 当新的引用值和新的版本号同时等于当前值时，不更新，直接返回true
// 当新的引用值和新的版本号不同时等于当前值时，同时设置新的引用值和新的版本号，返回true
public boolean weakCompareAndSet(V expectedReference,
V newReference,
int expectedStamp,
int newStamp)
// 以原子的方式同时更新引用值和版本号
// 当期望引用值不等于当前引用值时，操作失败，返回false
// 当期望版本号不等于当前版本号时，操作失败，返回false
// 在期望引用值和期望版本号同时等于当前值的前提下
// 当新的引用值和新的版本号同时等于当前值时，不更新，直接返回true
// 当新的引用值和新的版本号不同时等于当前值时，同时设置新的引用值和新的版本号，返回true
public boolean compareAndSet(V expectedReference,
V newReference,
int expectedStamp,
int newStamp)
// 以原子方式设置引用的当前值为新值newReference
// 同时，以原子方式设置版本号的当前值为新值newStamp
// 新引用值和新版本号只要有一个跟当前值不一样，就进行更新
public void set(V newReference, int newStamp)
// 以原子方式设置版本号为新的值
// 前提：引用值保持不变
// 当期望的引用值与当前引用值不相同时，操作失败，返回fasle
// 当期望的引用值与当前引用值相同时，操作成功，返回true
public boolean attemptStamp(V expectedReference, int newStamp)
// 使用`sun.misc.Unsafe`类原子地交换两个对象
private boolean casPair(Pair<V> cmp, Pair<V> val)
案例
如果线程安全
/**
* 程序入口
*
* @param args 参数
*/
public static void main(String[] args)
// 初始引用值是【1】；版本号是【1】
AtomicStampedReference<Integer> reference = new AtomicStampedReference<>(1, 1);
Integer reference1 = reference.getReference();
System.out.println("初始引用值" + reference1); // 初始引用值1
// 期望的初始引用值是【1】；
// 更新引用为2；
// 期望的初始版本号是【1】；
// 更新版本号为2
boolean b = reference.weakCompareAndSet(1, 2, 1, 2);
// 是否swap成功
System.out.println(b); // true
// 再次获取引用值
Integer reference2 = reference.getReference();
System.out.println("最新引用值" + reference2); // 最新引用值2
如果线程不安全
/**
* 程序入口
*
* @param args 参数
*/
public static void main(String[] args)
// 初始引用值是【1】；版本号是【1】
AtomicStampedReference<Integer> reference = new AtomicStampedReference<>(1, 1);
Integer reference1 = reference.getReference();
System.out.println("初始引用值" + reference1); // 初始引用值1
// 此时线程不安全，期望的引用值是【2】；
// 更新引用为2；
// 此时线程不安全，期望的版本号是【2】；
// 更新版本号为2
boolean b = reference.weakCompareAndSet(2, 2, 2, 2);
// 是否swap成功
System.out.println(b); // false
// 再次获取引用值
Integer reference2 = reference.getReference();
System.out.println("最新引用值" + reference2); // 最新引用值1
循环时间长开销大
如果CAS不成功，则会原地自旋，如果长时间自旋会给CPU带来非常大且没必要的开销。
可以破坏掉for死循环，当超过一定时间或者一定次数时，return退出。
JDK8新增的LongAdder和ConcurrentHashMap类似的方法。
当多个线程竞争时，将粒度变小，将一个变量拆分为多个变量，达到多个线程访问多个资源的效果，最后再调用sum把它合起来。
虽然base和cells都是volatile修饰的，但这个sum操作没有加锁，可能sum的结果不是那么精确。
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。
AtomicReference的API
// 当使用无参构造函数创建AtomicReference对象的时候，
// 需要再次调用set()方法为AtomicReference内部的value指定初始值。
AtomicReference()
// 创建AtomicReference对象时顺便指定初始值。
AtomicReference(V initialValue);
/**
原子性地更新AtomicReference内部的value值，
其中expect代表当前AtomicReference的value值，update则是需要设置的新引用值。
该方法会返回一个boolean的结果，
当expect和AtomicReference的当前值不相等时，修改会失败，返回值为false，
若修改成功则会返回true。
**/
compareAndSet(V expect, V update)
// 原子性地更新AtomicReference内部的value值，并且返回AtomicReference的旧值。
getAndSet(V newValue)
// 原子性地更新value值，并且返回AtomicReference的旧值，该方法需要传入一个Function接口。
getAndUpdate(UnaryOperator<V> updateFunction)
// 原子性地更新value值，并且返回AtomicReference更新后的新值，该方法需要传入一个Function接口。
updateAndGet(UnaryOperator<V> updateFunction)
// 原子性地更新value值，并且返回AtomicReference更新前的旧值。
// 该方法需要传入两个参数，第一个是更新后的新值，第二个是BinaryOperator接口。
getAndAccumulate(V x, BinaryOperator<V> accumulatorFunction)
// 原子性地更新value值，并且返回AtomicReference更新后的值。
// 该方法需要传入两个参数，第一个是更新的新值，第二个是BinaryOperator接口。
accumulateAndGet(V x, BinaryOperator<V> accumulatorFunction)
// 获取AtomicReference的当前对象引用值。
get()
// 设置AtomicReference最新的对象引用值，该新值的更新对其他线程立即可见。
set(V newValue)
// 设置AtomicReference的对象引用值。
lazySet(V newValue)
以上是关于CAS自旋锁，看这一篇就够了的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章