Java多线程：CAS与java.util.concurrent.atomic

锁的几种概念

悲观锁

总是假设最坏的情况，每次获取数据都认为别人会修改，所以拿数据时会上锁，一直到释放锁不允许其他线程修改数据。Java中如synchronized和reentrantLock就是这种实现。

乐观锁

总是假设最好的情况，每次去拿数据时都认为别人不会修改，所以不上锁，等更新数据时判断一下在此期间是否有其他人更新过这个数据，可以使用CAS算法实现。乐观锁适用于多读少写的应用类型，可以大幅度提高吞吐量。乐观锁的实现机制主要包括版本号机制（给数据加一个版本号，数据被修改版本号会加一，更新时读取版本号，若读取到的版本号和之前一致才更新，否则驳回）和CAS算法（下详）。

自旋锁与互斥锁

多线程互斥访问时会进入锁机制。互斥设计时会面临一个情况：没有获得锁的进程如何处理。通常有两种办法：一种是没有获得锁就阻塞自己，请求OS调度另一个线程上的处理器，即互斥锁；另一种时没有获得锁的调用者就一直循环，直到锁的持有者释放锁，即自旋锁。

自旋锁是一种较低级的保护数据的方式，存在两个问题：递归死锁，即递归调用时试图获得相同的自旋锁。过多占用CPU资源，自旋锁不成功时会持续尝试，通常一个自旋锁会有参数限制尝试次数，超出后放弃time slice，等待一下一轮机会。

但在锁持有者保持锁的时间较短的前提下，选择自旋而非睡眠则大大提高了效率，因而在这种情况下自旋锁效率远高于互斥锁。

CAS

CAS算法

CAS即compare and swap，是一种系统原语，是不可分割的操作系统指令。CAS是一种乐观锁实现。

CAS有三个操作数，内存值V，旧的预期内存值A，要修改的新值B，当且仅当A=V，才将内存值V修改为B，否则不会执行任何操作。一般情况下CAS是一个自旋操作，即不断重试。

CAS开销

CAS是CPU指令集的操作，只有一步的原子操作，所以非常快，CAS的开销主要在于cache miss问题。如图

这是一个8核CPU系统，共有4个管芯，每个管芯中有两个CPU，每个CPU有cache，管芯内有一个互联模块，让管芯的两个核可以互相通信。图中的系统连接模块可以让四个管芯通信。例如，此时CPU0进行一个CAS操作，而该变量所在的缓存线在CPU7的高速缓存中，则流程如下：

• CPU检查本地缓存，没有找到缓存线。
• 请求被转发到CPU0和CPU1的互联模块，检查CPU1的本地高速缓存，没有找到缓存线。
• 请求被转发到系统互联模块，检查其他三个管芯，得知缓存线在CPU6和CPU7所在的管芯中。
• 请求被转发到CPU6和CPU7的互联模块，检查这两个CPU的高速缓存，在CPU7中找到缓存线。
• CPU7将缓存线发给互联模块，并刷新自己的缓存线。
• CPU6和CPU7的互联模块将缓存线发送给系统互联模块。
• 系统互联模块将缓存线发送给CPU0和CPU1的互联模块。
• CPU0对高速缓存中的变量执行CAS操作。

Java中的CAS

JDK5增加java.util.concurrent包，其中很多类使用了CAS操作。这些CAS操作基于Unsafe类中的native方法实现：

//第一个参数o为给定对象，offset为对象内存的偏移量，通过这个偏移量迅速定位字段并设置或获取该字段的值，
//expected表示期望值，x表示要设置的值，下面3个方法都通过CAS原子指令执行操作，
//设置成功返回true，否则返回false。
public final native boolean compareAndSwapObject(Object o, long offset,Object expected, Object x);
public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset,int expected,int x);
public final native boolean compareAndSwapLong(Object o, long offset,long expected,long x);

由于CAS作用的对象在主存里而不是在线程的高速缓存里，CAS操作在Java中需要配合volatile使用。

Java中的CAS主要包含以下几个问题：

• ABA问题，即变量V初次读时是A值，被赋值时也是A值，但期间变量被赋值成B值,CAS会误认为他从没被修改过。AtomicStampedReference和AtomicMarckableReference类提供了监测ABA问题的能力，其中的compareAndSet方法首先检查当前引用是否等于预期引用，并且当前标志等于预期标志，全部相等则以原子方式将该引用和该标志的值设置为给定的更新值。
• 循环开销，自旋CAS长时间不成功会给CPU带来非常大的执行开销。若JVM能支持pause命令，效率有一定提升。因为pause命令一方面可以延迟流水线执行命令，使CPU不会消耗过多的执行资源，另一方面可以避免退出循环时由内存顺序冲突引起的CPU流水线被冲突，从而提高CPU的执行效率。
• 只能保证一个共享变量的原子操作，当操作涉及跨多个共享变量时CAS无效。可用AtomicReference封装多个字段来保证引用对象之间的原子性。

CAS与synchronized

• 资源竞争少时，synchronized同步锁进行线程阻塞，唤醒切换，用户内核态间切换，浪费额外CPU资源，CAS基于硬件实现，不进入内核，不切换线程，操作自旋几率小，CAS有更高的性能。
• 资源竞争严重时，CAS自旋概率较大，从而浪费更多的CPU资源，效率低于synchronized。

java.util.concurrent.atomic

jdk1.5提供了一组原子类，由CAS对其实现。其中的类可以分为四组：

• AtomicBoolean，AtomicInteger，AtomicLong 基本类型，bool, int, long
• AtomicIntegerArray，AtomicLongArray，AtomicReferenceArray 数组类型，包括整形数组，长整型数组，引用类型数组
• AtomicReference，AtomicStampedReference，AtomicMarkableReference AtomicReference为普通的引用类型原子类，AtomicStampedReference在构造方法中加入了stamp（类似时间戳）作为标识，采用自增int作为stamp，在stamp不重复的前提下可以解决ABA问题，AtomicStampedReference可以获知引用被更改了几次。当我们不需要知道引用被更改几次仅需要知道引用是否被更改过，则可以使用AtomicMarkableReference，这个类用boolean变量表示变量是否被更改过。
• AtomicIntegerFieldUpdater，AtomicLongFieldUpdater，AtomicReferenceFieldUpdater 三种原子更新对应类型（int, long, 引用）的更新器，用于对普通类进行原子更新。

其作用为对单一数据的操作实现原子化，无需阻塞代码，但访问两个或两个以上的atomic变量或对单个atomic变量进行2次或2次以上的操作被认为是需要同步的以便这些操作是一个原子操作。

AtomicBoolean, AtomicInteger, AtomicLong, AtomicReference, AtomicStampedReference, AtomicMarkableReference

前四种类型用来处理Boolean，Integer, Long, 对象，后两个类支持的方法和AtomicReference基本一致，仅作用不同。以上类型均包含以下方法：

• 构造函数，默认值分别为false, 0, 0, null。带参数则参数为初始化数据。
• set(newValue)和get()方法，常规的设置/读取值，非原子操作。其中set是volatile操作。
• lazySet(newValue)，设置值，原子操作，调用后的一小段时间其他线程可能会读取到旧值。
• getAndSet(newValue)相当于先使用get再set，但是是一个原子操作。
• compareAndSet(expectedData, newData)，接受两个参数，若atomic内数据和期望数据一致，则将新数据赋值给atomic数据返回true，否则不设置并返回false。
• weakCompareAndSet(expectedData, newData)，与前者类似，但更高效，不同的是可能会返回虚假的失败，不提供排序的保证，最好用于无关于happens-before的程序。

对于AtomicInteger, AtomicLong，还实现了getAndIncrement(), increateAndGet(), getAndDecreate(), decreateAndGet(), addAndGet(delta), getAndAdd(delta)方法，以实现加减法的原子操作。

AtomicIntegerArray, AtomicLongArray, AtomicReferenceArray

这三种类型用于处理数组，常用方法如下：

• set(index, newValue)和get(index)方法，常规的设置/读取索引对应值，非原子操作。其中set是volatile操作。
• lazySet(index, newValue)，设置索引对应值，原子操作，调用后的一小段时间其他线程可能会读取到旧值。
• getAndSet(index, newValue)相当于先使用get再set，但是是一个原子操作。
• compareAndSet(index, expectedData, newData)，接受三个参数，索引，期望数据，新数据。若atomic内数据和期望数据一致，则将新数据赋值给atomic数据返回true，否则不设置并返回false。

对于AtomicIntegerArray, AtomicLongArray，还实现了getAndIncrement(index), increateAndGet(index), getAndDecreate(index), decreateAndGet(index), addAndGet(index, delta), getAndAdd(index, delta)方法，以实现加减法的原子操作。

AtomicIntegerFieldUpdater，AtomicLongFieldUpdater，AtomicReferenceFieldUpdater

这三种类型用于处理普通对象中某个字段的CAS更新，由于是CAS更新，要求该字段必须是volatile的，常用方法如下：

• AtomicReferenceFiledUpdater.newUpdater(holderClassName, fieldClassName, fieldNameString)：对于普通的引用更新器，创建一个更新器需要以下三个参数：指定的类的类型，类中要更新的字段的类型，该字段的名字。该方法使用反射寻找需要更新的字段，且由于字段是成员变量，需要特别注意要能够访问到字段。对于AtomicIntegerFieldUpdater和AtomicLongFieldUpdater，由于已经确定了字段类型，只需要提供指定的类的类型和字段名即可。
• lazySet(object, newValue)，设置值，原子操作，调用后的一小段时间其他线程可能会读取到旧值。
• getAndSet(object, newValue)相当于先使用get再set，但是是一个原子操作。
• compareAndSet(object, expectedData, newData)，接受两个参数，若atomic内数据和期望数据一致，则将新数据赋值给atomic数据返回true，否则不设置并返回false。

示例操作如下：

User类（由普通类改造成的CAS更新类）

public class User {
    private static AtomicReferenceFieldUpdater<User, String> nameUpdater = AtomicReferenceFieldUpdater.newUpdater(User.class, String.class, "name");
    private static AtomicIntegerFieldUpdater<User> ageUpdater = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(User.class, "age");
    private volatile String name;
    private volatile int age;

    public User(String name, Integer age) {
        this.name = name;
        this.age = age;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    public Integer getAge() {
        return age;
    }

    public void setAge(Integer age) {
        this.age = age;
    }

    public void lazySetName(String name) {
        nameUpdater.lazySet(this, name);
    }

    public String getSetName(String name) {
        return nameUpdater.getAndSet(this, name);
    }

    public void compareAndSetName(String exceptedName, String newName) {
        nameUpdater.compareAndSet(this, exceptedName, newName);
    }

    public void lazySetAge(int age) {
        ageUpdater.lazySet(this, age);
    }

    public Integer getSetAge(int age) {
        return ageUpdater.getAndSet(this, age);
    }

    public void compareAndSetAge(int exceptedAge, int newAge) {
        ageUpdater.compareAndSet(this, exceptedAge, newAge);
    }
}

主程序

public class AtomicTest {
    public void run() {
        User user = new User("Atomic", 10);
        user.compareAndSetName("Atomic", "Ass");
        user.compareAndSetAge(10, 11);
        System.out.println(user.getName() + user.getAge());
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        new AtomicTest().run();
    }
}

输出结果：

Ass11

参考文献

深入理解CAS算法原理
面试必备之乐观锁与悲观锁
Java之多线程 Atomic（原子的）
对 volatile、compareAndSet、weakCompareAndSet 的一些思考
并发编程面试必备：JUC 中的 Atomic 原子类总结
AtomicReference，AtomicStampedReference与AtomicMarkableReference的区别
JAVA中的CAS