文章目錄
- 1.場景引入，問題凸現
- 2.更高效的方案：AtomicXXXX 原子類
- 3.什麼是CAS？
- 4.CAS的缺點
- 5.遺留的兩個問題：
- 6.ABA問題
- 7.ABA問題解決
- 8.小結
- 8.面試回答
1.場景引入，問題凸現
示例程式：啟動兩個線程，每個線程中讓靜态變量count循環累加100次。
最終輸出的count結果是什麼呢？一定會是200嗎？
加了同步鎖之後，count自增的操作變成了原子性操作，是以最終的輸出一定是count=200，代碼實作了線程安全。
Synchronized Lock悲觀鎖
為什麼這麼說呢？關鍵在于性能問題。
Synchronized關鍵字會讓沒有得到鎖資源的線程進入
BLOCKED
狀态，而後在争奪到鎖資源後恢複為
RUNNABLE
狀态，這個過程中涉及到作業系統使用者模式和核心模式的轉換，代價比較高。
盡管Java1.6為
Synchronized
做了優化，增加了從偏向鎖到輕量級鎖再到重量級鎖的過度，但是在最終轉變為重量級鎖之後，性能仍然較低。
2.更高效的方案：AtomicXXXX 原子類
所謂原子操作類，指的是
java.util.concurrent.atomic
包下，一系列以
Atomic
開頭的包裝類。例如
AtomicBoolean
，
AtomicInteger
，
AtomicLong
。它們分别用于
Boolean
，
Integer
，
Long
類型的原子性操作。
現在我們嘗試在代碼中引入
AtomicInteger
類：
使用AtomicInteger之後，最終的輸出結果同樣可以保證是200。并且在某些情況下，代碼的性能會比Synchronized更好。
3.什麼是CAS？
CAS是英文單詞Compare And Swap的縮寫，翻譯過來就是比較并替換。
CAS機制當中使用了3個基本操作數：記憶體位址V，舊的預期值A，要修改的新值B。
更新一個變量的時候，隻有當變量的預期值A和記憶體位址V當中的實際值相同時，才會将記憶體位址V對應的值修改為B。
這樣說或許有些抽象，我們來看一個例子：
1.在記憶體位址V當中，存儲着值為10的變量。
2.此時線程1想要把變量的值增加1。對線程1來說，舊的預期值A=10，要修改的新值B=11。
3.線上程1要送出更新之前，另一個線程2搶先一步，把記憶體位址V中的變量值率先更新成了11。
4.線程1開始送出更新，首先進行A和位址V的實際值比較（Compare），發現A不等于V的實際值，送出失敗。
5.線程1重新擷取記憶體位址V的目前值，并重新計算想要修改的新值。此時對線程1來說，A=11，B=12。這個重新嘗試的過程被稱為自旋。
6.這一次比較幸運，沒有其他線程改變位址V的值。線程1進行Compare，發現A和位址V的實際值是相等的。
7.線程1進行SWAP，把位址V的值替換為B，也就是12。
從思想上來說，
Synchronized屬于悲觀鎖
，悲觀地認為程式中的并發情況嚴重，是以嚴防死守。
CAS屬于樂觀鎖
，樂觀地認為程式中的并發情況不那麼嚴重，是以讓線程不斷去嘗試更新。
4.CAS的缺點
-
CPU開銷較大
在并發量比較高的情況下，如果許多線程反複嘗試更新某一個變量，卻又一直更新不成功，循環往複，會給CPU帶來很大的壓力。
-
不能保證代碼塊的原子性
CAS機制所保證的隻是一個變量的原子性操作，而不能保證整個代碼塊的原子性。比如需要保證3個變量共同進行原子性的更新，就不得不使用Synchronized了。
-
ABA問題
這是CAS機制最大的問題所在。
什麼是ABA問題？怎麼解決？
5.遺留的兩個問題：
- Java當中CAS的底層實作
- CAS的ABA問題和解決方法
首先看一看
AtomicInteger
當中常用的自增方法 incrementAndGet：
public final int incrementAndGet() {
for (;;) {
int current = get();
int next = current + 1;
if (compareAndSet(current, next)){
return next;
}
}
}
private volatile int value;
public final int get() {
return value;
} 這段代碼是一個無限循環，也就是CAS的自旋。循環體當中做了三件事：
1.擷取目前值。
2.目前值+1，計算出目标值。
3.進行CAS操作，如果成功則跳出循環，如果失敗則重複上述步驟。
這裡需要注意的重點是 get 方法，這個方法的作用是擷取變量的目前值。
如何保證獲得的目前值是記憶體中的最新值呢？很簡單，用volatile關鍵字來保證。有關volatile關鍵字的知識，我們之前有介紹過，這裡就不詳細闡述了。
接下來看一看compareAndSet方法的實作，以及方法所依賴對象的來曆：
compareAndSet方法的實作很簡單，隻有一行代碼。這裡涉及到兩個重要的對象，一個是unsafe，一個是valueOffset。
什麼是unsafe呢？Java語言不像C，C++那樣可以直接通路底層作業系統，但是JVM為我們提供了一個後門，這個後門就是unsafe。unsafe為我們提供了硬體級别的原子操作。
至于valueOffset對象，是通過unsafe.objectFieldOffset方法得到，所代表的是AtomicInteger對象value成員變量在記憶體中的偏移量。我們可以簡單地把valueOffset了解為value變量的記憶體位址。
我們上面說過，CAS機制當中使用了3個基本操作數：記憶體位址V，舊的預期值A，要修改的新值B。
而unsafe的compareAndSwapInt方法參數包括了這三個基本元素：valueOffset參數代表了V，expect參數代表了A，update參數代表了B。
正是unsafe的compareAndSwapInt方法保證了Compare和Swap操作之間的原子性操作。
6.ABA問題
什麼是ABA呢？假設記憶體中有一個值為A的變量，存儲在位址V當中。
時有三個線程想使用CAS的方式更新這個變量值，每個線程的執行時間有略微的偏差。線程1和線程2已經獲得目前值，線程3還未獲得目前值。
接下來，線程1先一步執行成功，把目前值成功從A更新為B；同時線程2因為某種原因被阻塞住，沒有做更新操作；線程3線上程1更新之後，獲得了目前值B。
再之後，線程2仍然處于阻塞狀态，線程3繼續執行，成功把目前值從B更新成了A。
最後，線程2終于恢複了運作狀态，由于阻塞之前已經獲得了“目前值”A，并且經過compare檢測，記憶體位址V中的實際值也是A，是以成功把變量值A更新成了B。
這個過程中，線程2擷取到的變量值A是一個舊值，盡管和目前的實際值相同，但記憶體位址V中的變量已經經曆了A->B->A的改變。
當我們舉一個提款機的例子。假設有一個遵循CAS原理的提款機，小灰有100元存款，要用這個提款機來提款50元。
由于提款機硬體出了點小問題，小灰的提款操作被同時送出兩次，開啟了兩個線程，兩個線程都是擷取目前值100元，要更新成50元。
理想情況下，應該一個線程更新成功，另一個線程更新失敗，小灰的存款隻被扣一次。
線程1首先執行成功，把餘額從100改成50。線程2因為某種原因阻塞了。這時候，小灰的媽媽剛好給小灰彙款50元。
線程2仍然是阻塞狀态，線程3執行成功，把餘額從50改成100。
線程2恢複運作，由于阻塞之前已經獲得了“目前值”100，并且經過compare檢測，此時存款實際值也是100，是以成功把變量值100更新成了50。
這個舉例改編自《java特種兵》當中的一段例子。原本線程2應當送出失敗，正确餘額應該保持為100元，結果由于ABA問題送出成功了。
7.ABA問題解決
什麼意思呢？真正要做到嚴謹的CAS機制，我們在Compare階段不僅要比較期望值A和位址V中的實際值，還要比較變量的版本号是否一緻。
我們仍然以最初的例子來說明一下，假設位址V中存儲着變量值A，目前版本号是01。線程1獲得了目前值A和版本号01，想要更新為B，但是被阻塞了。
這時候，記憶體位址V中的變量發生了多次改變，版本号提升為03，但是變量值仍然是A。
随後線程1恢複運作，進行Compare操作。經過比較，線程1所獲得的值和位址V的實際值都是A，但是版本号不相等，是以這一次更新失敗。
在Java當中，AtomicStampedReference類就實作了用版本号做比較的CAS機制。
8.小結
-
Java語言CAS底層如何實作？
利用unsafe提供了原子性操作方法。
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什麼是ABA問題？怎麼解決？
當一個值從A更新成B，又更新會A，普通CAS機制會誤判通過檢測。
利用版本号比較可以有效解決ABA問題。
8.面試回答
CAS（Compare-and-Swap），即比較并替換，java并發包中許多Atomic的類的底層原理都是CAS。
它的功能是判斷記憶體中某個位址的值(V)是否為預期值(A)，如果是就改變成新值(B)，整個過程具有原子性。
具體展現于sun.misc.Unsafe類中的native方法，調用這些native方法，JVM會幫我們實作彙編指令，這些指令是CPU的原子指令，是以具有原子性。
适用場景：
1. CAS 适合簡單對象的操作，比如布爾值、整型值等；
- CPU開銷過大 ： 在并發量比較高的情況下，如果許多線程反複嘗試更新某一個變量，卻又一直更新不成功，循環往複，會給CPU帶來很到的壓力。
- 不能保證代碼塊的原子性：CAS機制所保證的知識一個變量的原子性操作，而不能保證整個代碼塊的原子性。比如需要保證3個變量共同進行原子性的更新，就不得不使用synchronized或lock了。
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ABA問題：如果記憶體位址V初次讀取的值是A，在CAS等待期間它的值曾經被改成了B，後來又被改回為A，那CAS操作就會誤認為它從來沒有被改變過。(取錢案例)
如何解決: 除了Compare比較記憶體中某個位址的值(V)是否為預期值(A)，之外，還要添加版本号這個次元！