Java的CAS操作

2023-05-21 10:33 由真正的飞鱼发表于 #后端开发

介绍 CAS

技术是为了解决问题而生的，通过 CAS 我们可以以无锁的方式，保证对共享数据进行 “读取 - 修改 - 写回” 操作序列的正确性。

CAS 是乐观锁设计思想的实现。CAS 的思想是：在“读取 - 修改 - 写回”操作序列中，先读取并修改数据，写回数据前先判断读取数据后的这段时间内数据是否发生变化（共享变量的当前值是否是我们的期望值）：

如果在此期间数据没有发生变化（共享资源的当前值是我们的期望值），那么就把修改后的值写回
如果在此期间其他的线程修改了数据，数据发生了变化（共享资源的当前值不是我们的期望值），那么就放弃本次写回操作，再基于最新的数据进行修改然后重试，避免发生数据更新丢失

CAS 更加底层的实现依赖于 CPU 提供的特定指令，具体根据体系结构的不同还存在着明显区别。比如，x86 CPU 提供 cmpxchg 指令；而在精简指令集的体系架构中，则通常是靠一对指令（如“load and reserve”和“store conditional”）实现的。在大多数处理器上 CAS 都是非常轻量级的操作，这也是其优势所在。

Java 的 CAS 操作

CAS 依赖于 Unsafe 类提供的一些底层能力，进行底层操作。

/**
 * Atomically update Java variable to x if it is currently
 * holding expected.
 * @return true if successful
 */
public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset,
                                              int expected,
                                              int x);

在调用 compareAndSwap() 方法时，我们需要传入需要修改的共享变量、对象偏移量、我们期望的变量当前值、要写回的值。如果变量的当前值和我们的期望值相等，则写回成功，返回 true，否则写回失败，返回 false。

Unsafe 类是 Java 提供的一个操作内存的非安全类，操作对象和对应的变量来完成 CAS 操作。显然 Unsafe 类过于底层，调用 Unsafe 类的方法不是大多数应用场景的最好选择。目前 Java 提供了两种公共 API，可以实现 CAS 操作：

一种是 Atomic 原子类。Atomic 包中的类对 Unsafe 类进行了封装，使我们可以更方便的使用 CAS 操作。Atomic 包提供了常见的原子性数据类型，甚至是引用、数组等相关原子类型和原子更新操作工具。
还有一种是 Variable Handle API，它源自于JEP 193，提供了各种粒度的原子或者有序性的操作等。

CAS 的优劣局限

CAS 的优点：在大多数处理器上 CAS 都是非常轻量级的操作。

CAS 的局限：

CAS 操作是针对一个共享变量的，如果需要解决多个变量的原子性问题，建议还是使用互斥锁方案。
存在 ABA 问题：当一个线程在进行 CAS 操作时，另一个线程可能会在此期间修改了同一个共享变量的值，然后又将其改回原来的值。这种情况下，CAS 操作就无法检测到共享变量值的变化，从而导致 ABA 问题。如果我们仅仅在写回数据前判断数值是 A，可能导致不合理的写回操作。针对这种情况，Java 提供了 AtomicStampedReference 工具类，通过为对象引用建立类似版本号（stamp）的方式，来解决 ABA 问题，保证 CAS 的正确性。
如果有大量的线程同时对一个共享变量进行 CAS 操作，竞争过于激烈的情况下，尝试进行 CAS 操作的线程只会白白消耗处理器资源，而不会做任何有价值的工作，这就会带来性能的浪费。