浅析CAS与AtomicInteger原子类

Posted 2021-02-27

一：CAS简介
CAS：Compare And Swap(字面意思是比较与交换)，JUC包中大量使用到了CAS，比如我们的atomic包下的原子类就是基于CAS来实现。区别于悲观锁synchronized，CAS是乐观锁的一种实现，在某些场合使用它可以提高我们的并发性能。

在CAS中，主要是涉及到三个操作数，所期盼的旧值、当前工作内存中的值、要更新的值，仅当所期盼的旧值等于当前值时，才会去更新新值。

二：CAS举例
比如当如下场景，由于i++是个复合操作，读取、自增、赋值三步操作，因此在多线程条件下我们需要保证i++操作的安全

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public class CASTest {
int i = 0;

public void increment() {
    i++;
}

}
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解决办法有通过使用synchronized来解决，synchronized解决了并发编程的原子性，可见性，有序性。

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public class CASTest {
int i = 0;

public synchronized  void increment() {
    i++;
}

}
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但synchronized毕竟是悲观锁，尽管它后续进行了若干优化，引入了锁的膨胀升级措施，但是还是存在膨胀为重量级锁而导致阻塞问题，因此，我们可以使用基于CAS实现的原子类AtomicInteger来保证其原子性

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public class CASTest {
AtomicInteger i = new AtomicInteger(0);
public static void increment() {
//自增并返回新值
i.incrementAndGet();
}
}
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三：CAS原理分析
atomic包下的原子类就是基于CAS实现的，我们拿AtomicInteger来分析下CAS.

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

// CAS操作是基于一个Unsafe类，Unsafe类是整个Concurrent包的基础，里面所有的函数都是native的
private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
//内存偏移量
private static final long valueOffset;

static {
    try {
        //初始化地址偏移量
        valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
            (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
    } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}
//底层采用volatile修饰值，保证其可见性和有序性
private volatile int value;

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从AtomicInteger定义的相关属性来看，其内部的操作都是基于Unsafe类，因为在Java中，我们并不能直接操作内存，但是Java还是开放了一个Unsafe类来给我们进行操作，顾名思义，Unsafe，是不安全的，因此要谨慎使用。

其内部定义的值是用volatiel进行修饰的，volatile可以保证有序性和可见性，具体为什么可以保证就不在此阐述了。

再来看看其几个核心的API

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//以原子方式将值设置为给定的新值 expect：期望值 update：旧值
public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}
//以原子方式将当前值+1，返回期望值
public final int incrementAndGet() {
return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
}

//以原子方式将当前值-1，返回期望值
public final int decrementAndGet() {
return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, -1) - 1;
}
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关于其源码还是很少的，基本都是基于Unsafe类进行实现的。

先来看看compareAndSet方法，其调用的是Unsafe的compareAndSwapInt方法，当工作内存中的值与所期盼的旧值不相同的时候，会更新失败，举例说明：

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public class CASDemo {
public static void main(String[] args) {
AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(2020);
System.out.println("更新结果："+atomicInteger.compareAndSet(2020, 2021));
System.out.println("当前值为："+atomicInteger.get());

    //自增加一
    atomicInteger.getAndIncrement();

    System.out.println("更新结果："+atomicInteger.compareAndSet(2020, 2021));
    System.out.println("当前值为："+atomicInteger.get());
}

}
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在来看看incrementAndGet方法，其调用的是unsafe.getAndAddInt方法,其就相当于是自旋锁的实现，当所期盼的旧值与新值相同时才更新成功，否则就进行自旋操作直到更新成功为止。

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public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
int var5;
do {
var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
} while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));

return var5;

}
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四：CAS缺点分析
CAS的优点很明显，基于乐观锁的思想，提高了并发情况下的性能，缺点主要是ABA问题、自旋时间过长导致CPU占有率过高、只能保证一个共享变量的原子性。

ABA问题
就是一个值由A变为B，在由B变为A，使用CAS操作无法感知到该种情况下出现的变化，带来的后果很严重，比如银行内部员工，从系统挪走一百万，之后还了回来，系统感知不到岂不是要出事。模拟下出现ABA问题:
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public class ABA {
private static AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);

   public static void main(String[] args) {
       //线程t1实现0->1->0
       Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
           @Override
           public void run() {
               atomicInteger.compareAndSet(0,1);
               atomicInteger.compareAndSet(1,0);
           }
       },"t1");

       //线程t2实现0->100
       Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
           @Override
           public void run() {
               try {
                   //模拟狸猫换太子行为
                   TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
               } catch (InterruptedException e) {
                   e.printStackTrace();
               }
               System.out.println("更新结果："+atomicInteger.compareAndSet(0, 100));
           }
       });

       t1.start();
       t2.start();
   }

}

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运行结果是：true

解决ABA可以使每一次修改都带上时间戳，以记录版本号的形式来使的CAS感知到这种狸猫换太子的操作。Java提供了AtomicStampedReference类来解决，该类除了指定旧值与期盼值，还要指定旧的版本号与期盼的版本号

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public boolean compareAndSet(V expectedReference, V newReference, int expectedStamp, int newStamp) {
Pair<V> current = pair;
return expectedReference == current.reference && expectedStamp == current.stamp && ((newReference == current.reference && newStamp ==current.stamp) || casPair(current, Pair.of(newReference, newStamp)));
}
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public class ABA_Test {

// 初始值100，版本号1
private static AtomicStampedReference<Integer> atomicStampedReference = new AtomicStampedReference<Integer>(100, 1);

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    // AtomicStampedReference实现
    Thread tsf1 = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            try {
                // 让 tsf2先获取stamp，导致预期时间戳不一致
                TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            // 预期引用：100，更新后的引用：110，预期标识getStamp() 更新后的标识getStamp() + 1
            atomicStampedReference.compareAndSet(100, 110, atomicStampedReference.getStamp(),
                    atomicStampedReference.getStamp() + 1);
            atomicStampedReference.compareAndSet(110, 100, atomicStampedReference.getStamp(),
                    atomicStampedReference.getStamp() + 1);
        }
    });

    Thread tsf2 = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            int stamp = atomicStampedReference.getStamp();

            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(2); // 线程tsf1执行完
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(
                    "AtomicStampedReference:" + atomicStampedReference.compareAndSet(100, 120, stamp, stamp + 1));
        }
    });

    tsf1.start();
    tsf2.start();
}

}
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运行结果:

自旋次数过长
CAS是基于乐观锁的思想实现的，当频繁出现当前值与所旧预期值不相等的情况，会导致频繁的自旋而使得浪费CPU资源。

只能保证单个共享变量的原子性
单纯对共享变量进行CAS操作，只能保证单个，无法使多个共享变量同时进行原子操作。