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java.util.concurrent包完全建立在CAS之上的，沒(méi)有CAS就不會(huì)有此包?？梢?jiàn)CAS的重要性。

CAS

• CAS:Compare and Swap, 翻譯成比較并交換。
• java.util.concurrent包中借助CAS實(shí)現(xiàn)了區(qū)別于synchronouse同步鎖的一種樂(lè)觀鎖。

CAS應(yīng)用

CAS有3個(gè)操作數(shù)，內(nèi)存值V，舊的預(yù)期值A(chǔ)，要修改的新值B。當(dāng)且僅當(dāng)預(yù)期值A(chǔ)和內(nèi)存值V相同時(shí)，將內(nèi)存值V修改為B，否則什么都不做。

非阻塞算法 （nonblocking algorithms）

一個(gè)線程的失敗或者掛起不應(yīng)該影響其他線程的失敗或掛起的算法

現(xiàn)代的CPU提供了特殊的指令，可以自動(dòng)更新共享數(shù)據(jù)，而且能夠檢測(cè)到其他線程的干擾，而 compareAndSet() 就用這些代替了鎖定。

拿出AtomicInteger來(lái)研究在沒(méi)有鎖的情況下是如何做到數(shù)據(jù)正確性的。

private volatile int value;

首先毫無(wú)以為，在沒(méi)有鎖的機(jī)制下可能需要借助volatile原語(yǔ)，保證線程間的數(shù)據(jù)是可見(jiàn)的（共享的）。這樣才獲取變量的值的時(shí)候才能直接讀取。

public final int get() {
        return value;
    }

然后來(lái)看看++i是怎么做到的。

public final int incrementAndGet() {
    for (;;) {
        int current = get();
        int next = current + 1;
        if (compareAndSet(current, next))
            return next;
    }
}

在這里采用了CAS操作，每次從內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)然后將此數(shù)據(jù)和+1后的結(jié)果進(jìn)行CAS操作，如果成功就返回結(jié)果，否則重試直到成功為止。

而compareAndSet利用JNI來(lái)完成CPU指令的操作。

public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {   
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
    }

整體的過(guò)程就是這樣子的，利用CPU的CAS指令，同時(shí)借助JNI來(lái)完成Java的非阻塞算法。其它原子操作都是利用類似的特性完成的。

其中unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);

類似：

if (this == expect) {

  this = update

 return true;

} else {

return false;

}

那么問(wèn)題就來(lái)了，成功過(guò)程中需要2個(gè)步驟：比較this == expect，替換this = update，compareAndSwapInt如何這兩個(gè)步驟的原子性呢？ 參考CAS的原理。

CAS原理

CAS通過(guò)調(diào)用JNI的代碼實(shí)現(xiàn)的。JNI:Java Native Interface為JAVA本地調(diào)用，允許java調(diào)用其他語(yǔ)言。

而compareAndSwapInt就是借助C來(lái)調(diào)用CPU底層指令實(shí)現(xiàn)的。

下面從分析比較常用的CPU（intel x86）來(lái)解釋CAS的實(shí)現(xiàn)原理。

下面是sun.misc.Unsafe類的compareAndSwapInt()方法的源代碼：

public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset,int expected,int x);

可以看到這是個(gè)本地方法調(diào)用。這個(gè)本地方法在openjdk中依次調(diào)用的c++代碼為：unsafe.cpp，atomic.cpp和atomicwindowsx86.inline.hpp。這個(gè)本地方法的最終實(shí)現(xiàn)在openjdk的如下位置：openjdk-7-fcs-src-b147-27jun2011\openjdk\hotspot\src\oscpu\windowsx86\vm\ atomicwindowsx86.inline.hpp（對(duì)應(yīng)于windows操作系統(tǒng)，X86處理器）。下面是對(duì)應(yīng)于intel x86處理器的源代碼的片段：

// Adding a lock prefix to an instruction on MP machine
// VC++ doesn't like the lock prefix to be on a single line
// so we can't insert a label after the lock prefix.
// By emitting a lock prefix, we can define a label after it.
#define LOCK_IF_MP(mp) __asm cmp mp, 0  \
                       __asm je L0      \
                       __asm _emit 0xF0 \
                       __asm L0:

inline jint     Atomic::cmpxchg    (jint     exchange_value, volatile jint*     dest, jint     compare_value) {
  // alternative for InterlockedCompareExchange
  int mp = os::is_MP();
  __asm {
    mov edx, dest
    mov ecx, exchange_value
    mov eax, compare_value
    LOCK_IF_MP(mp)
    cmpxchg dword ptr [edx], ecx
  }
}

如上面源代碼所示，程序會(huì)根據(jù)當(dāng)前處理器的類型來(lái)決定是否為cmpxchg指令添加lock前綴。如果程序是在多處理器上運(yùn)行，就為cmpxchg指令加上lock前綴（lock cmpxchg）。反之，如果程序是在單處理器上運(yùn)行，就省略lock前綴（單處理器自身會(huì)維護(hù)單處理器內(nèi)的順序一致性，不需要lock前綴提供的內(nèi)存屏障效果）。

intel的手冊(cè)對(duì)lock前綴的說(shuō)明如下：

1. 確保對(duì)內(nèi)存的讀-改-寫操作原子執(zhí)行。在Pentium及Pentium之前的處理器中，帶有l(wèi)ock前綴的指令在執(zhí)行期間會(huì)鎖住總線，使得其他處理器暫時(shí)無(wú)法通過(guò)總線訪問(wèn)內(nèi)存。很顯然，這會(huì)帶來(lái)昂貴的開(kāi)銷。從Pentium 4，Intel Xeon及P6處理器開(kāi)始，intel在原有總線鎖的基礎(chǔ)上做了一個(gè)很有意義的優(yōu)化：如果要訪問(wèn)的內(nèi)存區(qū)域（area of memory）在lock前綴指令執(zhí)行期間已經(jīng)在處理器內(nèi)部的緩存中被鎖定（即包含該內(nèi)存區(qū)域的緩存行當(dāng)前處于獨(dú)占或以修改狀態(tài)），并且該內(nèi)存區(qū)域被完全包含在單個(gè)緩存行（cache line）中，那么處理器將直接執(zhí)行該指令。由于在指令執(zhí)行期間該緩存行會(huì)一直被鎖定，其它處理器無(wú)法讀/寫該指令要訪問(wèn)的內(nèi)存區(qū)域，因此能保證指令執(zhí)行的原子性。這個(gè)操作過(guò)程叫做緩存鎖定（cache locking），緩存鎖定將大大降低lock前綴指令的執(zhí)行開(kāi)銷，但是當(dāng)多處理器之間的競(jìng)爭(zhēng)程度很高或者指令訪問(wèn)的內(nèi)存地址未對(duì)齊時(shí)，仍然會(huì)鎖住總線。
2. 禁止該指令與之前和之后的讀和寫指令重排序。
3. 把寫緩沖區(qū)中的所有數(shù)據(jù)刷新到內(nèi)存中。

備注知識(shí)：

關(guān)于CPU的鎖有如下3種：

1. 處理器自動(dòng)保證基本內(nèi)存操作的原子性

首先處理器會(huì)自動(dòng)保證基本的內(nèi)存操作的原子性。處理器保證從系統(tǒng)內(nèi)存當(dāng)中讀取或者寫入一個(gè)字節(jié)是原子的，意思是當(dāng)一個(gè)處理器讀取一個(gè)字節(jié)時(shí)，其他處理器不能訪問(wèn)這個(gè)字節(jié)的內(nèi)存地址。奔騰6和最新的處理器能自動(dòng)保證單處理器對(duì)同一個(gè)緩存行里進(jìn)行16/32/64位的操作是原子的，但是復(fù)雜的內(nèi)存操作處理器不能自動(dòng)保證其原子性，比如跨總線寬度，跨多個(gè)緩存行，跨頁(yè)表的訪問(wèn)。但是處理器提供總線鎖定和緩存鎖定兩個(gè)機(jī)制來(lái)保證復(fù)雜內(nèi)存操作的原子性。

2. 使用總線鎖保證原子性

第一個(gè)機(jī)制是通過(guò)總線鎖保證原子性。如果多個(gè)處理器同時(shí)對(duì)共享變量進(jìn)行讀改寫（i++就是經(jīng)典的讀改寫操作）操作，那么共享變量就會(huì)被多個(gè)處理器同時(shí)進(jìn)行操作，這樣讀改寫操作就不是原子的，操作完之后共享變量的值會(huì)和期望的不一致，舉個(gè)例子：如果i=1,我們進(jìn)行兩次i++操作，我們期望的結(jié)果是3，但是有可能結(jié)果是2。如下圖

[圖片上傳失敗...(image-ffe264-1524393847658)]

原因是有可能多個(gè)處理器同時(shí)從各自的緩存中讀取變量i，分別進(jìn)行加一操作，然后分別寫入系統(tǒng)內(nèi)存當(dāng)中。那么想要保證讀改寫共享變量的操作是原子的，就必須保證CPU1讀改寫共享變量的時(shí)候，CPU2不能操作緩存了該共享變量?jī)?nèi)存地址的緩存。

處理器使用總線鎖就是來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題的。所謂總線鎖就是使用處理器提供的一個(gè)LOCK＃信號(hào)，當(dāng)一個(gè)處理器在總線上輸出此信號(hào)時(shí)，其他處理器的請(qǐng)求將被阻塞住,那么該處理器可以獨(dú)占使用共享內(nèi)存。

3. 使用緩存鎖保證原子性

第二個(gè)機(jī)制是通過(guò)緩存鎖定保證原子性。在同一時(shí)刻我們只需保證對(duì)某個(gè)內(nèi)存地址的操作是原子性即可，但總線鎖定把CPU和內(nèi)存之間通信鎖住了，這使得鎖定期間，其他處理器不能操作其他內(nèi)存地址的數(shù)據(jù)，所以總線鎖定的開(kāi)銷比較大，最近的處理器在某些場(chǎng)合下使用緩存鎖定代替總線鎖定來(lái)進(jìn)行優(yōu)化。

頻繁使用的內(nèi)存會(huì)緩存在處理器的L1，L2和L3高速緩存里，那么原子操作就可以直接在處理器內(nèi)部緩存中進(jìn)行，并不需要聲明總線鎖，在奔騰6和最近的處理器中可以使用“緩存鎖定”的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的原子性。所謂“緩存鎖定”就是如果緩存在處理器緩存行中內(nèi)存區(qū)域在LOCK操作期間被鎖定，當(dāng)它執(zhí)行鎖操作回寫內(nèi)存時(shí)，處理器不在總線上聲言LOCK＃信號(hào)，而是修改內(nèi)部的內(nèi)存地址，并允許它的緩存一致性機(jī)制來(lái)保證操作的原子性，因?yàn)榫彺嬉恢滦詸C(jī)制會(huì)阻止同時(shí)修改被兩個(gè)以上處理器緩存的內(nèi)存區(qū)域數(shù)據(jù)，當(dāng)其他處理器回寫已被鎖定的緩存行的數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)起緩存行無(wú)效，在例1中，當(dāng)CPU1修改緩存行中的i時(shí)使用緩存鎖定，那么CPU2就不能同時(shí)緩存了i的緩存行。

但是有兩種情況下處理器不會(huì)使用緩存鎖定。第一種情況是：當(dāng)操作的數(shù)據(jù)不能被緩存在處理器內(nèi)部，或操作的數(shù)據(jù)跨多個(gè)緩存行（cache line），則處理器會(huì)調(diào)用總線鎖定。第二種情況是：有些處理器不支持緩存鎖定。對(duì)于Inter486和奔騰處理器,就算鎖定的內(nèi)存區(qū)域在處理器的緩存行中也會(huì)調(diào)用總線鎖定。

以上兩個(gè)機(jī)制我們可以通過(guò)Inter處理器提供了很多LOCK前綴的指令來(lái)實(shí)現(xiàn)。比如位測(cè)試和修改指令BTS，BTR，BTC，交換指令XADD，CMPXCHG和其他一些操作數(shù)和邏輯指令，比如ADD（加），OR（或）等，被這些指令操作的內(nèi)存區(qū)域就會(huì)加鎖，導(dǎo)致其他處理器不能同時(shí)訪問(wèn)它。

CAS缺點(diǎn)

CAS雖然很高效的解決原子操作，但是CAS仍然存在三大問(wèn)題。ABA問(wèn)題，循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)開(kāi)銷大和只能保證一個(gè)共享變量的原子操作

1. ABA問(wèn)題。因?yàn)镃AS需要在操作值的時(shí)候檢查下值有沒(méi)有發(fā)生變化，如果沒(méi)有發(fā)生變化則更新，但是如果一個(gè)值原來(lái)是A，變成了B，又變成了A，那么使用CAS進(jìn)行檢查時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)它的值沒(méi)有發(fā)生變化，但是實(shí)際上卻變化了。ABA問(wèn)題的解決思路就是使用版本號(hào)。在變量前面追加上版本號(hào)，每次變量更新的時(shí)候把版本號(hào)加一，那么A－B－A 就會(huì)變成1A-2B－3A。

   從Java1.5開(kāi)始JDK的atomic包里提供了一個(gè)類AtomicStampedReference來(lái)解決ABA問(wèn)題。這個(gè)類的compareAndSet方法作用是首先檢查當(dāng)前引用是否等于預(yù)期引用，并且當(dāng)前標(biāo)志是否等于預(yù)期標(biāo)志，如果全部相等，則以原子方式將該引用和該標(biāo)志的值設(shè)置為給定的更新值。

   關(guān)于ABA問(wèn)題參考文檔: http://blog.hesey.net/2011/09/resolve-aba-by-atomicstampedreference.html

2. 循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)開(kāi)銷大。自旋CAS如果長(zhǎng)時(shí)間不成功，會(huì)給CPU帶來(lái)非常大的執(zhí)行開(kāi)銷。如果JVM能支持處理器提供的pause指令那么效率會(huì)有一定的提升，pause指令有兩個(gè)作用，第一它可以延遲流水線執(zhí)行指令（de-pipeline）,使CPU不會(huì)消耗過(guò)多的執(zhí)行資源，延遲的時(shí)間取決于具體實(shí)現(xiàn)的版本，在一些處理器上延遲時(shí)間是零。第二它可以避免在退出循環(huán)的時(shí)候因內(nèi)存順序沖突（memory order violation）而引起CPU流水線被清空（CPU pipeline flush），從而提高CPU的執(zhí)行效率。

3. 只能保證一個(gè)共享變量的原子操作。當(dāng)對(duì)一個(gè)共享變量執(zhí)行操作時(shí)，我們可以使用循環(huán)CAS的方式來(lái)保證原子操作，但是對(duì)多個(gè)共享變量操作時(shí)，循環(huán)CAS就無(wú)法保證操作的原子性，這個(gè)時(shí)候就可以用鎖，或者有一個(gè)取巧的辦法，就是把多個(gè)共享變量合并成一個(gè)共享變量來(lái)操作。比如有兩個(gè)共享變量i＝2,j=a，合并一下ij=2a，然后用CAS來(lái)操作ij。從Java1.5開(kāi)始JDK提供了AtomicReference類來(lái)保證引用對(duì)象之間的原子性，你可以把多個(gè)變量放在一個(gè)對(duì)象里來(lái)進(jìn)行CAS操作。

concurrent包的實(shí)現(xiàn)

由于java的CAS同時(shí)具有 volatile 讀和volatile寫的內(nèi)存語(yǔ)義，因此Java線程之間的通信現(xiàn)在有了下面四種方式：

1. A線程寫volatile變量，隨后B線程讀這個(gè)volatile變量。
2. A線程寫volatile變量，隨后B線程用CAS更新這個(gè)volatile變量。
3. A線程用CAS更新一個(gè)volatile變量，隨后B線程用CAS更新這個(gè)volatile變量。
4. A線程用CAS更新一個(gè)volatile變量，隨后B線程讀這個(gè)volatile變量。

Java的CAS會(huì)使用現(xiàn)代處理器上提供的高效機(jī)器級(jí)別原子指令，這些原子指令以原子方式對(duì)內(nèi)存執(zhí)行讀-改-寫操作，這是在多處理器中實(shí)現(xiàn)同步的關(guān)鍵（從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，能夠支持原子性讀-改-寫指令的計(jì)算機(jī)器，是順序計(jì)算圖靈機(jī)的異步等價(jià)機(jī)器，因此任何現(xiàn)代的多處理器都會(huì)去支持某種能對(duì)內(nèi)存執(zhí)行原子性讀-改-寫操作的原子指令）。同時(shí)，volatile變量的讀/寫和CAS可以實(shí)現(xiàn)線程之間的通信。把這些特性整合在一起，就形成了整個(gè)concurrent包得以實(shí)現(xiàn)的基石。如果我們仔細(xì)分析concurrent包的源代碼實(shí)現(xiàn)，會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)通用化的實(shí)現(xiàn)模式：

1. 首先，聲明共享變量為volatile；
2. 然后，使用CAS的原子條件更新來(lái)實(shí)現(xiàn)線程之間的同步；
3. 同時(shí)，配合以volatile的讀/寫和CAS所具有的volatile讀和寫的內(nèi)存語(yǔ)義來(lái)實(shí)現(xiàn)線程之間的通信。

AQS，非阻塞數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和原子變量類（java.util.concurrent.atomic包中的類），這些concurrent包中的基礎(chǔ)類都是使用這種模式來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而concurrent包中的高層類又是依賴于這些基礎(chǔ)類來(lái)實(shí)現(xiàn)的。從整體來(lái)看，concurrent包的實(shí)現(xiàn)示意圖如下：
[圖片上傳失敗...(image-c0f73-1524393847658)]