CAS简介说明

下文笔者讲述CAS简介说明，如下所示

CAS简介

CAS:
   其英文缩写为(Compare And Swap),其功能就是比较和交换,是CPU支持的一种内存交换指令
   此指令会对内存中共享数据进行操作,它对内存中的共享数据进行原子操作
    主要用于先判断新值是否发生变化，不相同则不做更新 

主要事项:    
    1.CAS是一种无锁的实现模式，它是一种乐观锁的实现模式,
      它可保证多线程并发中保障共享资源的原子性操作(相对于synchronized或Lock是一种轻量级的实现) 
	2.jdk中有一些原子类,如:
	  AtomicInteger、CurrentHashMap

AtomicInteger使用说明

未使用AtomicInteger类的原子类实现

public class ThreadSafeTest {
​
  public static volatile int i = 0;
​
  public synchronized void increase() {
    i++;
  }
}

基于AtomicInteger类的实现

public class ThreadSafeTest {
  private final AtomicInteger counter = new AtomicInteger(0);
​
  public int increase(){
    return counter.addAndGet(1);
  }
}

AtomicInteger类简介

 
AtomicInteger是
  java.util.concurrent.atomic包下的一个原子类
  该包下还有AtomicBoolean, AtomicLong,AtomicLongArray, AtomicReference等原子类
  主要用于在高并发环境下，保证线程安全。

AtomicInteger常用API

AtomicInteger类提供了如下常见的API功能：
public final int get()：获取当前的值
public final int getAndSet(int newValue)：获取当前的值，并设置新的值
public final int getAndIncrement()：获取当前的值，并自增
public final int getAndDecrement()：获取当前的值，并自减
public final int getAndAdd(int delta)：获取当前的值，并加上预期的值
void lazySet(int newValue): 最终会设置成newValue,使用lazySet设置值后，可能导致其他线程在之后的一小段时间内还是可以读到旧的值。

AtomicInteger核心源码

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
    private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
    private static final long valueOffset;
    static {
        try {
            // 用于获取value字段相对当前对象的“起始地址”的偏移量
            valueOffset = unsafe.objectFieldOffset(AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
        } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
    }
​
    private volatile int value;
​
    //返回当前值
    public final int get() {
        return value;
    }
​
    //递增加detla
    public final int getAndAdd(int delta) {
        // 1、this：当前的实例 
        // 2、valueOffset：value实例变量的偏移量 
        // 3、delta：当前value要加上的数(value+delta)。
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta);
    }
​
    //递增加1
    public final int incrementAndGet() {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
    }
...
}

 AtomicInteger底层
   通过volatile变量和CAS两者相结合来保证更新数据的原子性

CAS的工作原理

CAS的实现原理:
   是由Unsafe类和其中的自旋锁来完成

UnSafe类

sun.misc.Unsafe是JDK内部用的工具类
 它通过暴露一些Java意义上说“不安全”的功能给Java层代码
 来让JDK能够更多的使用Java代码来实现一些原本是平台相关的
  需要使用native语言(C或C++)才可以实现的功能
  该类不应该在JDK核心类库之外使用

Unsafe类的功能

Unsafe类的功能:
   内存操作、CAS、Class相关、对象操作、数组相关、内存屏障、系统相关、线程调度等功能 

Unsafe类常见方法

Unsafe类拥有
 objectFieldOffset()方法：
     用于获取某个字段相对Java对象的“起始地址”的偏移量
 getInt、getLong、getObject等方法:
    可以使用前面获取的偏移量来访问某个Java对象的某个字段

例:

AtomicInteger中的static代码块
  使用objectFieldOffset()方法

Unsafe与CAS

AtomicInteger调用Unsafe#getAndAddInt方法
    public final int incrementAndGet() {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
    }

AtomicInteger调用UnSafe类的CAS方法
  JVM实现汇编指令,从而实现原子操作 

在Unsafe中getAndAddInt方法实现如下
  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;
    } 
getAndAddInt方法有三个参数:
   第一个参数表示当前对象,也就是new的那个AtomicInteger对象;
   第二个表示内存地址;
   第三个表示自增步伐,
     在AtomicInteger#incrementAndGet中默认的自增步伐是1

getAndAddInt方法中
   先把当前对象主内存中的值赋给val5
   然后进入while循环。判断当前对象此刻主内存中的值是否等于val5
    如果是,就自增(交换值),否则继续循环,重新获取val5的值 

注意事项:
   1.compareAndSwapInt方法,是一个native方法
   这个方法汇编之后是CPU原语指令
   原语指令是连续执行不会被打断的
    所以可以保证原子性
   2.getAndAddInt方法中还涉及到一个实现自旋锁
     自旋的概念指:getAndAddInt方法中的do while循环操作
    当预期值和主内存中的值不等时
     就重新获取主内存中的值 
   3.CAS缺点:
      内部使用自旋的方式进行CAS更新(
	  while循环进行CAS更新，如果更新失败，则循环再次重试)
	   当长时间都不成功的话，就使CPU开销变大
   4.Unsafe类还支持其他的CAS方法,如compareAndSwapObject、compareAndSwapInt、compareAndSwapLong 
 

CAS缺点

我们都知道使用CAS可实现原子性操作,但是它还具有以下缺点,如下所示

 1.长时间未运行完毕,则会产生CPU开销大
 2.由于只保证共享变量的原子操作,则会产生ABA问题