JUC并发编程第七章——CAS

标签：JUC CAS 编程 Unsafe final int 内存 public

1 原子类

Java.util.concurrent.atomic

2 没有CAS之前

多线程环境中不使用原子类保证线程安全i++（基本数据类型）

常用synchronized锁，但是它比较重，牵扯到了用户态和内核态的切换,效率不高。

public class T3
{
    volatile int number = 0;
    //读取
    public int getNumber()
    {
        return number;
    }
    //写入加锁保证原子性
    public synchronized void setNumber()
    {
        number++;
    }
}

3 使用CAS之后

多线程情况下使用原子类保证线程安全（基本数据类型）

public class T3
{
    volatile int number = 0;
    //读取
    public int getNumber()
    {
        return number;
    }
    //写入加锁保证原子性
    public synchronized void setNumber()
    {
        number++;
    }
    //=================================
    //下面是新版本
    //=================================
    AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();

    public int getAtomicInteger()
    {
        return atomicInteger.get();
    }

    public void setAtomicInteger()
    {
        atomicInteger.getAndIncrement();//先读再加
    }
}

类似于乐观锁

4 CAS是什么？

4.1 CAS基本知识

compare and swap的缩写，中文翻译成比较并交换,实现并发算法时常用到的一种技术。它包含三个操作数——内存位置、预期原值及更新值。

执行CAS操作的时候，将内存位置的值与预期原值比较：
如果相匹配，那么处理器会自动将该位置值更新为新值，
如果不匹配，处理器不做任何操作，多个线程同时执行CAS操作只有一个会成功。

4.2 CAS原理

CAS （CompareAndSwap）
CAS有3个操作数，位置内存值V，旧的预期值A，要修改的更新值B。
当且仅当旧的预期值A和内存值V相同时，将内存值V修改为B，否则什么都不做或重来*

当它重来重试的这种行为成为—自旋！

4.3 CAS Demo代码

多线程情况下使用原子类保证线程安全（基本数据类型）

public class CASDemo
{
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException
    {
        AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(5);

        System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(5, 2022)+"\t"+atomicInteger.get());
        System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(5, 1024)+"\t"+atomicInteger.get());
    }
}
//true 2022
//false 2022

注意：compareAndSet方法有两个参数，第一个参数是希望当前的atomicInterger是多少 (一般就是我们从主内存中拿取当前atomicInterger时候的值) ，第二个参数是希望修改为多少，如果当前atomicInterger的值是我们希望的值，就会修改为我们希望修改的值，反之不会修改。

4.4 硬件级别的保证

CAS是JDK提供的非阻塞原子性操作，它通过硬件保证了比较-更新的原子性

它是非阻塞的且自身具有原子性，也就是说这玩意效率更高，因为它不用加synchronized这样的重锁，不涉及用户态和内核态的切换（synchronized是基于底层操作系统的Mutex Lock实现的，每次获取和释放锁都会带来用户态和内核态的切换）且通过CPU源语级别的硬件保证，说明这玩意更可靠

CAS是一条CPU的原子指令 (cmpxchg指令)，不会造成所谓的数据不一致问题，Unsafe类提供的CAS方法（如compareAndSwapXXX）底层实现即为CPU指令cmpxchg。执行cmpxchg指令的时候，会判断当前系统是否为多核系统，如果是就给总线加锁，只有一个线程会对总线加锁成功 (也就是说只会有一个线程进来)，加锁成功之后会执行cas操作，也就是说CAS的原子性实际上是CPU实现独占的，比起用synchronized重量级锁，这里的排他时间要短很多，所以在多线程情况下性能会比较好。

4.5 源码分析

private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();

//compareAndSet
//发现它调用了Unsafe类
public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
    }

//compareAndSwapInt
//发现它调用了native方法
public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);

//这三个方法是类似的
public final native boolean compareAndSwapObject(Object var1, long var2, Object var4, Object var5);

public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);

public final native boolean compareAndSwapLong(Object var1, long var2, long var4, long var6);

上面Unsafe类的三个方法都是类似的，主要对4个参数做一下说明：

var1：表示要操作的对象

var2：表示要操作对象中属性地址的偏移量

var4：表示需要修改数据期望的值

var5/var6：表示需要修改为的新值

atomicInterger原子类为什么好用，底层就是因为用的是UnSafe类！

引出来一个问题：Unsafe类是什么

ps：面试时，需要懂Unsafe类，因为说白了原子类靠的是CAS思想，CAS思想落地实现靠Unsafe类的CPU源语级别的汇编操作，但是工作中不要用Unsafe类，因为用不好容易导致内存混乱

5 CAS底层原理？如果知道，谈谈你对UnSafe的理解

5.1 UnSafe

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 6214790243416807050L;

    // setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updates
    private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
    static {
        try {
            valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
                (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
        } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
    }

    private volatile int value;//保证变量修改后多线程之间的可见性
    }

注：valueOffset = unsafe.objectFieldOffset

获取对象在内存中的偏移地址，并赋值给valueOffset

1 Unsafe

CAS这个理念，落地就是Unsafe类

它是CAS的核心类，由于Java方法无法直接访问底层系统，需要通过本地（native）方法来访问，Unsafe相当于一个后门，基于该类可以直接操作特定内存的数据。Unsafe类存在于sun.misc包中，其内部方法操作可以像C的指针一样直接操作内存，因为Java中CAS操作的执行依赖于Unsafe类的方法。

注意：Unsafe类中的所有方法都是native修饰的，也就是说Unsafe类中的方法都直接调用操作系统底层资源执行相应任务。

打开rt.jar包（最基本的包）

2 变量valueOffset，表示该变量值在内存中的偏移地址，因为Unsafe就是根据内存偏移地址获取数据的

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

3 变量value用volatile修饰

5.2 源码分析

new AtomicInteger().getAndIncrement();


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


//Unsafe.class
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;
    }

//Unsafe.class
public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);

说明：

变量valueOffset，表示该变量值在内存中的偏移地址，因为Unsafe类就是根据内存偏移地址获取数据的
变量value用volatile修饰，保证了多线程之间的内存可见性（也就是说哪个线程调用了getAndIncrement方法把最新的值加了1，其他线程都能感知到！）
getAndAddInt方法中的do while就是在自旋，直到成功为止。

我们知道i++线程不安全的，那atomicInteger.getAndIncrement()如何保证原子性？
CAS的全称为Compare-And-Swap，它是一条CPU并发原语。
它的功能是判断内存某个位置的值是否为预期值，如果是则更改为新的值，这个过程是原子的。
AtomicInteger 类主要利用 CAS (compare and swap) + volatile 和 native 方法来保证原子操作，从而避免 synchronized 的高开销，执行效率大为提升。

CAS并发原语体现在JAVA语言中就是sun.misc.Unsafe类中的各个方法。调用UnSafe类中的CAS方法，JVM会帮我们实现出CAS汇编指令。这是一种完全依赖于硬件的功能，通过它实现了原子操作。再次强调，由于CAS是一种系统原语，原语属于操作系统用语范畴，是由若干条指令组成的，用于完成某个功能的一个过程，并且原语的执行必须是连续的，在执行过程中不允许被中断，也就是说CAS是一条CPU的原子指令，不会造成所谓的数据不一致问题。

总结

你只需要记住：CAS是靠硬件实现的从而在硬件层面提升效率，最底层还是交给硬件来保证原子性和可见性
实现方式是基于硬件平台的汇编指令，在intel的CPU中(X86机器上)，使用的是汇编指令cmpxchg指令。
核心思想就是：比较要更新变量的值V和预期值E（compare），相等才会将V的值设为新值N（swap）如果不相等自旋再来。

标签：JUC,CAS,编程,Unsafe,final,int,内存,public
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