CAS 与原子操作

Posted 2023-03-18

参考技术A

锁可以从不同的角度分类。其中，乐观锁和悲观锁是一种分类方式。

乐观锁：
乐观锁又称为“无锁”。乐观锁总是假设对共享资源的访问没有冲突，线程可以不停地执行，无需加锁也无需等待。而一旦多个线程发生冲突，乐观锁通常是使用一种称为 CAS 的技术来保证线程执行的安全性。

由于无锁操作中没有锁的存在，因此不可能出现死锁的情况，也就是说 乐观锁免疫死锁 。

乐观锁多用于“读多写少“的环境，避免频繁加锁影响性能；而悲观锁多用于”写多读少“的环境，避免频繁失败和重试影响性能。

悲观锁：
悲观锁就是我们常说的锁。对于悲观锁来说，它总是认为每次访问共享资源时会发生冲突，所以必须对每次数据操作加上锁，以保证临界区的程序同一时间只能有一个线程在执行。

在Java中可以通过锁和循环 CAS 的方式来实现原子操作。

CAS 的全称是：比较并交换（Compare And Swap）。在CAS中，有这样三个值：

比较并交换的过程如下：

CAS 指令执行时，当且仅当内存地址V的值与预期值A相等时，将内存地址V的值修改为B，否则就什么都不做。整个比较并替换的操作是一个原子操作。

我们以一个简单的例子来解释这个过程：

在这个例子中，i就是V，5就是A，6就是B。

那有没有可能我在判断了 i 为5之后，正准备更新它的新值的时候，被其它线程更改了 i 的值呢？
不会的。因为CAS是一种原子操作，它是一种系统原语，是一条CPU的原子指令，从CPU层面保证它的原子性

当多个线程同时使用CAS操作一个变量时，只有一个会胜出，并成功更新，其余均会失败，但失败的线程并不会被挂起，仅是被告知失败，并且允许再次尝试，当然也允许失败的线程放弃操作。

CAS 的基本思路就是，如果这个地址上的值和期望的值相等，则给其赋予新值，否则不做任何事儿，但是要返回原值是多少。循环 CAS 就是在一个循环里不断的做 cas 操作，直到成功为止。

CAS 是怎么实现线程的安全呢？
我们将其交给硬件 — CPU 和内存，利用 CPU 的多处理能力，实现硬件层面的阻塞，再加上 volatile 变量的特性即可实现基于原子操作的线程安全。

CAS 是一种无锁算法,通过硬件层面上对先后操作内存的线程进行排队处理，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，否则什么都不做。

CAS（比较并交换）是CPU指令级的操作， 只有一步原子操作，所以非常快 。而且避免了请求操作系统来裁定锁的问题，不用麻烦操作系统，直接在CPU内部就搞定了

1、ABA 问题
CAS 在操作的时候会检查变量的值是否被更改过，如果没有则更新值，但是带来一个问题，最开始的值是A，接着变成B，最后又变成了A。经过检查这个值确实没有修改过，因为最后的值还是A，但是实际上这个值确实已经被修改过了。为了解决这个问题，在每次进行操作的时候加上一个 版本号 ，每次操作的就是两个值，一个版本号和某个值，A——>B——>A问题就变成了1A——>2B——>3A。在 jdk 中提供了 AtomicStampedReference 类解决ABA问题，用Pair这个内部类实现，包含两个属性，分别代表版本号和引用。
这个类的 compareAndSet 方法的作用是首先检查当前引用是否等于预期引用，并且检查当前版本号标志是否等于预期版本号标志，如果二者都相等，才使用CAS设置为新的值和标志。

2、循环时间长开销大
自旋 CAS 如果长时间不成功，会占用大量的 CPU 资源，给 CPU 带来非常大的执行开销。
解决思路是让 JVM 支持处理器提供的 pause 指令 。
pause 指令 能让自旋失败时 cpu 睡眠一小段时间再继续自旋，从而使得读操作的频率低很多,为解决内存顺序冲突而导致的CPU流水线重排的代价也会小很多。
3、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来保证原子性。

还有一个取巧的办法，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 Java 1.5 开始，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。

解决方案：

AtomicInteger

实例：

打印结果：12。
ai.compareAndSet(10, 12); 改为 ai.compareAndSet(11, 12);时，打印结果：10

AtomicIntegerArray
主要是提供原子的方式更新数组里的整型，其常用方法如下。

需要注意的是，数组 value 通过构造方法传递进去，然后 AtomicIntegerArray 会将当前数组复制一份，所以当 AtomicIntegerArray 对内部的数组元素进行修改时，不会影响传入的数组。

实例

打印结果：

原子更新基本类型的 AtomicInteger，只能更新一个变量，如果要原子更新多个变量，就需要使用这个原子更新引用类型提供的类。Atomic 包提供了以下 3 个类。

**AtomicReference **
原子更新引用类型。

实例：

打印结果：

AtomicStampedReference
利用版本戳的形式记录了每次改变以后的版本号，这样的话就不会存在 ABA 问题了。这就是 AtomicStampedReference 的解决方案。AtomicMarkableReference 跟 AtomicStampedReference 差不多，AtomicStampedReference 是使用 pair 的 int stamp 作为计数器使用，AtomicMarkableReference 的 pair 使用的是 boolean mark。 AtomicStampedReference 可能关心的是动过几次， AtomicMarkableReference 关心的是有没有被人动过，方法都比较简单。

实例：

打印结果：

AtomicMarkableReference
原子更新带有标记位的引用类型。可以原子更新一个布尔类型的标记位和引用类型。构造方法是 AtomicMarkableReference（V initialRef，boolean initialMark）。

如果需原子地更新某个类里的某个字段时，就需要使用原子更新字段类， Atomic 包提供了以下 3 个类进行原子字段更新。 要想原子地更新字段类需要两步。第一步，因为原子更新字段类都是抽象类， 每次使用的时候必须使用静态方法 newUpdater() 创建一个更新器，并且需要设置想要更新的类和属性。第二步，更新类的字段（属性）必须使用 public volatile 修饰符。

AtomicIntegerFieldUpdater： 原子更新整型的字段的更新器。
AtomicLongFieldUpdater： 原子更新长整型字段的更新器。
AtomicReferenceFieldUpdater： 原子更新引用类型里的字段。

Java并发编程系列- 原子操作与CAS

3. 原子操作与CAS

3.1 原子操作

所谓原子操作是指不会被线程调度机制打断的操作；这种操作一旦开始，就一直运行到结束，中间不会有任何context switch，也就是切换到另一个线程。

为了实现原子操作，Java中可以通过synchronized关键字将函数或者代码块包围，以实现操作的原子性。但是synchronized关键字有一些很显著的问题：

1、synchronized是基于阻塞锁的机制，如果被阻塞的线程优先级很高，可能很长时间其他线程都没有机会运行；
2、拿到锁的线程一直不释放锁，可能导致其他线程一直等待；
3、线程数量很多时，可能带来大量的竞争，消耗cpu，同时带来死锁或者其他安全。

像synchronized这种独占锁属于悲观锁，它是在假设一定会发生冲突的，那么加锁恰好有用，除此之外，还有乐观锁，乐观锁的含义就是假设没有发生冲突，那么我正好可以进行某项操作，如果要是发生冲突呢，那我就重试直到成功，乐观锁最常见的就是CAS。

JAVA内部在实现原子操作的类时都应用到了CAS。

3.2 CAS

CAS是CompareAndSwap的缩写，即比较并替换。CAS需要有3个操作数：内存地址V，旧的预期值A，即将要更新的目标值B。

CAS指令执行时，当且仅当内存地址V的值与预期值A相等时，将内存地址V的值修改为B，否则就什么都不做。整个比较并替换的操作是一个原子操作，大多数现代处理器都支持CAS指令。

JDK中关于原子操作的类有，

• 更新基本类型类：AtomicBoolean，AtomicInteger，AtomicLong，AtomicReference

• 更新数组类：AtomicIntegerArray，AtomicLongArray，AtomicReferenceArray

• 更新引用类型：AtomicReference，AtomicMarkableReference，AtomicStampedReference

• 原子更新字段类： AtomicReferenceFieldUpdater，AtomicIntegerFieldUpdater，AtomicLongFieldUpdater

下面例子为AtomicInteger的基本用法，

public class UseAtomicInt {
    
    static AtomicInteger ai = new AtomicInteger(10);
    
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(ai.getAndIncrement());//10--->11
        System.out.println(ai.incrementAndGet());//11--->12--->out
        System.out.println(ai.get());
    }
}

深入getAndIncrement的实现可以发现，内部调用了CAS进行value的更新，

   /**
     * Atomically adds the given value to the current value of a field
     * or array element within the given object {@code o}
     * at the given {@code offset}.
     *
     * @param o object/array to update the field/element in
     * @param offset field/element offset
     * @param delta the value to add
     * @return the previous value
     * @since 1.8
     */
    @HotSpotIntrinsicCandidate
    public final int getAndAddInt(Object o, long offset, int delta) {
        int v;
        do {
            v = getIntVolatile(o, offset);
        } while (!weakCompareAndSetInt(o, offset, v, v + delta));
        return v;
    }

CAS在底层通过JNI调用系统的Atomic::cmpxchg方法，来进行value的比较与更新。

对于CAS的实现，这依赖于CPU提供的特定指令，具体根据体系结构的不同还存在着明显区别。比如，x86 CPU 提供 cmpxchg 指令；而在精简指令集的体系架构中，则通常是靠一对儿指令（如“load and reserve”和“store conditional”）实现的，在大多数处理器上 CAS 都是个非常轻量级的操作，这也是其优势所在。

3.3 CAS的问题

CAS虽然很高效的解决了原子操作问题，但是CAS仍然存在三大问题。

• ABA问题

什么是ABA问题？ABA问题怎么解决？如果内存地址V初次读取的值是A，并且在准备赋值的时候检查到它的值仍然为A，那我们就能说它的值没有被其他线程改变过了吗？如果在这段期间它的值曾经被改成了B，后来又被改回为A，那CAS操作就会误认为它从来没有被改变过。这个漏洞称为CAS操作的“ABA”问题。
Java并发包为了解决这个问题，提供了一个带有标记的原子引用类“AtomicStampedReference”，它可以通过控制变量值的版本来保证CAS的正确性。因此，在使用CAS前要考虑清楚“ABA”问题是否会影响程序并发的正确性，如果需要解决ABA问题，改用传统的互斥同步可能会比原子类更高效。

• 开销问题

循环时间长开销很大：我们可以看到getAndAddInt方法执行时，如果CAS失败，会一直进行尝试。如果CAS长时间一直不成功，可能会给CPU带来很大的开销。

• 只能保证一个共享变量的原子操作

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来保证原子性。

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