一、前言

了解CAS,首先要清楚JUC,那么什么是JUC呢？JUC就是java.util.concurrent包的簡(jiǎn)稱。它有核心就是CAS與AQS。CAS是java.util.concurrent.atomic包的基礎(chǔ)，如AtomicInteger、AtomicBoolean、AtomicLong等等類都是基于CAS。

什么是CAS呢？全稱Compare And Swap，比較并交換。CAS有三個(gè)操作數(shù)，內(nèi)存值V，舊的預(yù)期值E，要修改的新值N。當(dāng)且僅當(dāng)預(yù)期值E和內(nèi)存值V相同時(shí)，將內(nèi)存值V修改為N，否則什么都不做。

二、實(shí)例

如果我們需要對(duì)一個(gè)數(shù)進(jìn)行加法操作，應(yīng)該怎樣去實(shí)現(xiàn)呢？我們模擬多個(gè)線程情況下進(jìn)行操作。

ThreadDemo.java 實(shí)現(xiàn)一個(gè)Runnable接口

package com.spring.security.test;

public class ThreadDemo implements Runnable {

	private int count = 0;

	@Override
	public void run() {
		for (int i = 0; i < 100; i++) {
			addCount();
		}
	}

	private void addCount() {
		count++;
	}

	public int getCount() {
		return count;
	}
}

ThreadTest.java 創(chuàng)建線程池，提交10個(gè)線程執(zhí)行，預(yù)期結(jié)果應(yīng)該是1000

package com.spring.security.test;

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class ThreadTest {
	public static void main(String[] args) {
		ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(10);
		ThreadDemo threadDemo = new ThreadDemo();
		for (int i = 0; i < 10; i++) {
			threadPool.submit(threadDemo);
		}
    threadPool.shutdown();
		System.out.println(threadDemo.getCount());
	}
}

運(yùn)行結(jié)果：874 或其他，與預(yù)期結(jié)果不符合。

執(zhí)行出來的結(jié)果并不是想象中的結(jié)果。這是為什么呢？這跟線程的執(zhí)行過程有關(guān)。

所以我們需要在改變count，將值從高速緩沖區(qū)刷新到主內(nèi)存后，讓其他線程重新讀取主內(nèi)存中的值到自己的工作內(nèi)存。

此時(shí)可以用volatile關(guān)鍵字。它的作用是保證對(duì)象在內(nèi)存中的可見性。

修改ThreadDemo中的count字段

private volatile int count = 0;

此時(shí)執(zhí)行結(jié)果：900 或其他，與預(yù)期結(jié)果不符合。

此時(shí)還是并未得出正確執(zhí)行結(jié)果。為什么？聽我細(xì)細(xì)道來。

線程安全主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：

• 原子性：提供了互斥訪問，同一時(shí)刻只能有一個(gè)線程對(duì)它進(jìn)行操作
• 可見性：一個(gè)線程對(duì)主內(nèi)存的修改可以及時(shí)的被其他線程觀察到
• 有序性：一個(gè)線程觀察其他線程中的指令執(zhí)行順序，由于指令重排序的存在，該觀察結(jié)果一般雜亂無序
  

目前可見性已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了，缺少原子性的操作，因?yàn)橥粫r(shí)刻，多個(gè)線程對(duì)其操作，會(huì)將改動(dòng)后的最新值讀取到自己的工作內(nèi)存進(jìn)行操作，最終只能得到后一個(gè)執(zhí)行線程操作的結(jié)果，所以相當(dāng)于少了一步操作，就會(huì)造成數(shù)據(jù)的不一致。

此時(shí)可以使用JUC的Atomic包下面的類來進(jìn)行操作。

Atomic類是使用CAS+volatile來實(shí)現(xiàn)原子性與可見性的。

我們來改造一下TheadDemo.java中的實(shí)現(xiàn)方法

package com.spring.security.test;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class ThreadDemo implements Runnable {

	private AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);

	@Override
	public void run() {
		for (int i = 0; i < 100; i++) {
			// 遞增
			count.getAndIncrement();
		}
	}

	public int getCount() {
		return count.get();
	}
}

執(zhí)行結(jié)果： 1000，符合預(yù)期值。

接下來我們來分析一下AtomicInteger類的源碼：

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

static {
  try {
    valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
      (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
  } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}

private volatile int value;

Unsafe類是不安全的類，它提供了一些底層的方法，我們是不能使用這個(gè)類的。AtomicInteger的值保存在value中，而valueOffset是value在內(nèi)存中的偏移量，利用靜態(tài)代碼塊使其類一加載的時(shí)候就賦值。value值使用volatile，保證其可見性。

  /**
   * Atomically increments by one the current value.
   *
   * @return the previous value
   */
  public final int getAndIncrement() {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
  }

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;
}

var1表示當(dāng)前對(duì)象，var2表示value在內(nèi)存中的偏移量，var4為增加的值。var5為調(diào)用底層方法獲取value的值

compareAndSwapInt方法通過var1和var2獲取當(dāng)前內(nèi)存中的value值，并與var5進(jìn)行比對(duì)，如果一致，就將var5+var4的值賦給value,并返回true,否則返回false

由do while語(yǔ)句可知，如果這次沒有設(shè)置進(jìn)去值，就重復(fù)執(zhí)行此過程。這一過程稱為自旋。

compareAndSwapInt是JNI(Java Native Interface)提供的方法，可以是其他語(yǔ)言寫的。

三、與synchronized比較

使用synchronized進(jìn)行加法：

package com.spring.security.test;

public class ThreadDemo implements Runnable {

	private int count = 0;

	@Override
	public void run() {
		for (int i = 0; i < 100; i++) {
			// 遞增
			synchronized (ThreadDemo.class) {
				count++;
			}
		}
	}

	public int getCount() {
		return count;
	}
}

運(yùn)行結(jié)果： 1000，符合預(yù)期值。

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使用synchronized和AtomicInteger都能得到預(yù)期結(jié)果，但是他們之間各有什么劣勢(shì)呢？

synchronized是重量級(jí)鎖，是悲觀鎖，就是無論你線程之間發(fā)不發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，它都認(rèn)為會(huì)發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)，從而每次執(zhí)行都會(huì)加鎖。

在并發(fā)量大的情況下，如果鎖的時(shí)間較長(zhǎng)，那將會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能。

CAS操作中我們可以看到getAndAddInt方法的自旋操作，如果長(zhǎng)時(shí)間自旋，那么肯定會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成壓力。而且如果value值從A->B->A,那么CAS就會(huì)認(rèn)為這個(gè)值沒有被操作過，這個(gè)稱為CAS操作的"ABA"問題。

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