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死磕Java——CAS

前面我们说到volatile不保证原子性,解决办法就是使用AtomicInteger代替int,但是为什么使用AtomicInteger就可以保证了原子性了,是因为AtomicInteger实现的就是CAS思想Unsafe的支持。

1.1.CAS是什么

AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(5);
atomicInteger.compareAndSet(5, 10);

CAS:即比较和交换(compareAndSet),CAS的思想比较简单就是三个值:当前内存值V,旧的预期值A,和要更新的值B,当且仅当内存值V等于预期值A,才将内存值修改为B,并返回true,否则什么都不做,返回false。下面就以atomicInteger.getAndIncrement();分析一下AtomicInteger使用的CAS思想。

1.2.CAS的原理

使用AtomicInteger

public static void main(String[] args) {
    AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(5);
    atomicInteger.compareAndSet(5, 10);
    atomicInteger.getAndIncrement();
}

compareAndSet方法

public final int getAndIncrement() {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
}

unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1)说明:

  • this:代表当前对象,这里就是外部newatomicInteger对象;
  • valueOffset:代表当前对象的内存地址。
  • 1:就是加1。
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); }
}

private volatile int value;

说明:

上述代码就是根据对象的内存地址获取当前内存的值,注意的是private volatile int value;添加了volatile关键字,所以,保证了可见性。

unsafe.getAndAddInt方法

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;
}

说明:

  • unsafe类是CAS的核心类,由于Java无法直接操作底层系统,只能通过native修饰的本地方法操作,基于unsafe类就可以直接操作内存中的数据。
  • getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4)中:Object var1:当前对象,long var2:当前对象的内存地址,int var4:需要更新的值,这里就是1。
  • var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);:就是取到当前对象的内存值;
  • 假如现在存在两个线程,跑在不同的cpu上,内存中atomicInteger的原始值为5,两个线程都拷贝一份到自己的工作内存中,
  • 线程A通过getIntVolatile(var1, var2)拿到value值5,这时线程A被挂起。
  • 线程B也通过getIntVolatile(var1, var2)方法获取到value值5,线程B没有被挂起,并执行compareAndSwapInt方法比较内存值也为5,成功修改内存值为10。
  • 这时线程A恢复,执行compareAndSwapInt方法比较,发现自己手里的值(5)和内存的值(10)不一致,说明该值已经被其它线程提前修改过了,那只能重新来一遍了。
  • 重新获取value值,因为变量valuevolatile修饰,所以其它线程对它的修改,线程A总是能够看到,线程A继续执行compareAndSwapInt进行比较替换,直到成功。

1.3.CAS的缺点

前面的代码分析中我们知道getAndAddInt方法有一个do-while循环,如果CAS失败,就会进行一直尝试比较,如果很长时间都不成功,就会增加CPU的开销。所以CAS的一个缺点就是循环时间长开销大,由于this表示的是当前对象,所以,存在另外一个缺点就是只能保证一个共享变量的原子操作。最重要的缺点就是ABA问题

1.3.1.什么是ABA问题

前面分析CAS思想的时候,我们知道一个线程会先获取Value的值,比较和交换的时候再获取内存的值和手里的value进行比较,说的是如果一致就表示没有被其他线程修改过,然后就执行自己的交换操作,但是,如果,一个线程修改了,然后另外还有一个线程又修改会原来的值,这个时候一比较还是一样的,这就是ABA问题。简单讲就是狸猫换太子。如果业务中不关心中间操作,只在乎开始和结尾是否一致就可,就不必要解决ABA 问题。

1.3.2.使用原子引用和版本机制解决ABA问题

java.util.concurrent.atomic包下存在一个AtomicReference类,就是原子引用,CAS比较的只是内存中的值,现在增加一个版本号,比较值的同时再比较版本后是否一致。使用AtomicStampedReference带时间戳的原子引用来解决ABA问题。

 public static void main(String[] args) {
        AtomicStampedReference<Integer> reference = new AtomicStampedReference<>(10, 1);

        new Thread(() -> {
            int stamp = reference.getStamp();
            System.out.println("T1拿到的第一次的版本号:" + stamp);
            // 先暂停1秒,等T2线程拿到相同的初始版本号
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            reference.compareAndSet(10, 101, reference.getStamp(), reference.getStamp() + 1);
            System.out.println("T1线程第一次操作后的版本号为:"  + reference.getStamp());
            reference.compareAndSet(101, 10, reference.getStamp(), reference.getStamp() + 1);
            System.out.println("T1线程第二次操作后的版本号为:"  + reference.getStamp());
        }, "T1").start();

        new Thread(() -> {
            int stamp = reference.getStamp();
            System.out.println("T2拿到的第一次的版本号:" + stamp);
            // 先暂停3秒,等T1线程有充分的时候做一次ABA操作
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            boolean b = reference.compareAndSet(10, 2019, stamp, stamp + 1);
            System.out.println("当前内存中的最新值为:" + reference.getReference());
            System.out.println("T2线程在T1线程执行完ABA问题后在执行的结果为:" + b);
        }, "T2").start();

    }

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