Java线程篇(十)：Compare And Swap

前言

       在Java并发包中有这样一个包，java.util.concurrent.atomic，该包是对Java部分数据类型的原子封装，在原有数据类型的基础上，提供了原子性的操作方法，保证了线程安全。下面以AtomicInteger为例，来看一下是如何实现的。

​​

1. public final int incrementAndGet() {  
2. for (;;) {  
3. int current = get();  
4. int next = current + 1;  
5. if (compareAndSet(current, next))  
6. return next;  
7.     }  
8. }  

​​

1. public final int decrementAndGet() {  
2. for (;;) {  
3. int current = get();  
4. int next = current - 1;  
5. if (compareAndSet(current, next))  
6. return next;  
7.     }  
8. }  

       以这两个方法为例，incrementAndGet方法相当于原子性的++i，decrementAndGet方法相当于原子性的--i（根据​​第一章​​和​​第二章​​我们知道++i或--i不是一个原子性的操作），这两个方法中都没有使用阻塞式的方式来保证原子性（如Synchronized），那它们是如何保证原子性的呢，下面引出CAS。

Compare And Swap

       CAS 指的是现代 CPU 广泛支持的一种对内存中的共享数据进行操作的一种特殊指令。这个指令会对内存中的共享数据做原子的读写操作。简单介绍一下这个指令的操作过程：首先，CPU 会将内存中将要被更改的数据与期望的值做比较。然后，当这两个值相等时，CPU 才会将内存中的数值替换为新的值。否则便不做操作。最后，CPU 会将旧的数值返回。这一系列的操作是原子的。它们虽然看似复杂，但却是 Java 5 并发机制优于原有锁机制的根本。简单来说，CAS 的含义是“我认为原有的值应该是什么，如果是，则将原有的值更新为新值，否则不做修改，并告诉我原来的值是多少”。（这段描述引自《Java并发编程实践》）
       简单的来说，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，否则返回V。这是一种乐观锁的思路，它相信在它修改之前，没有其它线程去修改它；而Synchronized是一种悲观锁，它认为在它修改之前，一定会有其它线程去修改它，悲观锁效率很低。下面来看一下AtomicInteger是如何利用CAS实现原子性操作的。

volatile变量

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1. private volatile int value;  

       首先声明了一个volatile变量value，在

​​第二章​​我们知道volatile保证了变量的内存可见性，也就是所有工作线程中同一时刻都可以得到一致的值。

​​

1. public final int get() {  
2. return value;  
3. }  

Compare And Set

​​

1. // setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updates  
2. private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();  
3. private static final long valueOffset;// 注意是静态的  
4.   
5. static {  
6. try {  
7.     valueOffset = unsafe.objectFieldOffset  
8. class.getDeclaredField("value"));// 反射出value属性，获取其在内存中的位置  
9. catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }  
10. }  
11.   
12. public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {  
13. return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);  
14. }  

循环设置

       现在在来看开篇提到的两个方法，我们拿incrementAndGet来分析一下其实现过程。

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1. public final int incrementAndGet() {  
2. for (;;) {// 这样优于while(true)  
3. int current = get();// 获取当前值  
4. int next = current + 1;// 设置更新值  
5. if (compareAndSet(current, next))  
6. return next;  
7.     }  
8. }  

缺点

       虽然使用CAS可以实现非阻塞式的原子性操作，但是会产生ABA问题，关于ABA问题，计划单拿出一章来整理。