Java CAS操作详解与实战

CAS操作在Java中的应用很广泛,比如ConcurrentHashMap,ReentrantLock等,其常被用来解决独占锁对线程阻塞而导致的性能低下问题,是高效并发必备的一种优化方法.

JMM
一般的理解Java内存模型为主内存与工作内存,

工作内存是为了提高效率,在内部缓存了主内存中的变量,避免每次都要去主内存拿,但是变量被修改之后写回主内存的时机是不可控的,因此就会带来并发下变量一致性问题.对此Java提供了以下关键字:

volatile: 保证多线程之间的可见性,可以理解为其操作都是直接操作主内存的变量,每次读直接从主内存读,每次修改完立即写回主内存.
synchronized: 提供的锁机制在进入同步块时从主内存读取变量,同步块结束时写回变量到主内存.

synchronized所带来的新问题.
这里的分析是不考虑JVM一系列的优化措施,比如锁消除,锁粗化,自旋之类的处理优化.
排除优化措施的话synchronized本质上可以理解为悲观锁思想的实现,所谓的悲观锁认为每次访问临界区都会冲突,因此每次都需要加锁,而当没有拿到锁时线程是处于阻塞状态的.从Runnable到Blocked,然后被唤醒后再从Blocked到Runnable,这些操作耗费了不少计算机资源,因此这种悲观锁机制是并发的一种实现,但不是高效并发的实现.

CAS实现原子性操作
CAS操作大概有如下几步:

读取旧值为一个临时变量
对旧值的临时变量进行操作或者依赖旧值临时变量进行一些操作
判断旧值临时变量是不是等于旧值,等于则没被修改,那么新值写入.不等于则被修改,此时放弃或者从步骤1重试.
那么步骤三实际上就是比较并替换,这个操作需要是原子性的,不然无法保证比较操作之后还没写入之前有其他线程操作修改了旧值.那么这一步实际上就是CAS(CompareAndSwap),其是需要操作系统底层支持,对于操作系统会转换为一条指令,也就是自带原子性属性,对于Java中则是sun.misc.Unsafe#compareAndSwapObject这种类型的操作.另外在Java中CAS的实现需要可见性的支持,也就是修改值后必须立即同步到主内存,否则这个修改没有意义,其他线程读取到的仍然是旧值.
CAS相比无优化下的synchronized,最大的优势就是无阻塞,也就是没了线程阻塞与唤醒的消耗,性能自然是很高.

AtomicXXX与CAS
Java中提供了AtomicXXX一系列原子类,这里以AtomicInteger为例,大概结构如下:

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
    private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
    private static final long valueOffset;
    // 使用volatile修饰,解决可见性问题