java的原子类到底是啥？ABA，CAS又是些什么？

Z时代
2024-01-10
分类：综合

java

java的原子类到底是啥？ABA，CAS又是些什么？

1）解决并发不是用锁就能解决吗，那SDK干嘛还要搞个原子类出来？

锁虽然能解决，但是加锁解锁始终还是对性能是有影响的，并且使用不当可能会造成死锁之类的问题。

2）原子类是怎样使用的，比如说我要实现一个线程安全的累加器？

 public class Test {
   AtomicLong count = 
     new AtomicLong(0); // 原子类变量count
   void add10K() {
     int idx = 0;
     while(idx++ < 10000) {
       count.getAndIncrement();// 原子操作
     }
   }
 }

3）原子类是无锁的，那他底层是靠什么来实现原子安全的？

靠硬件。我们的CPU为了解决并发问题，提供了CAS指令，而CPU的指令本身就是原子性的。

4）什么是CAS呢？

compare and swap ，他主要就看3个参数，A是共享变量的内存地址，B是用于和原地址值比较的，C是我们要更新的值。

其实就是把原来的共享变量的值取出一份来，然后你要更新的话，得对比一下，当前的值和我取出来保存的这份值是不是相同的，如果是相同的，那就可以修改，不同的话说明被别人修改过了，那你现在就不能更新。

 
 class SimulatedCAS{
   int count；
   synchronized int cas(
     int expect, int newValue){
     // 读目前count的值
     int curValue = count;
     // 比较目前count值是否==期望值
     if(curValue == expect){
       // 如果是，则更新count的值
       count = newValue;
     }
     // 返回写入前的值
     return curValue;
   }
 }

5）假如我当前的值和我取出来的那份值不一样了，那该怎么办？

CAS一般带有自旋，所谓自旋也就是循环的意思。当值不同了，那就从头来进行：取值来放着--->对比--->相同的话那就更新，不同就从头再来。

 
 class SimulatedCAS{
   volatile int count;
   // 实现count+=1
   addOne(){
     do {
       newValue = count+1; //①
     }while(count !=
       cas(count,newValue) //②
   }
   // 模拟实现CAS，仅用来帮助理解
   synchronized int cas(
     int expect, int newValue){
     // 读目前count的值
     int curValue = count;
     // 比较目前count值是否==期望值
     if(curValue == expect){
       // 如果是，则更新count的值
       count= newValue;
     }
     // 返回写入前的值
     return curValue;
   }
 }

从上面代码我们也可以看出来，完全是没有加锁解锁的操作的，所以CAS这种无锁实现并发的操作性能很好。

6）我们说凡事都有两面性，CAS他就没任何的缺点吗？

会存在ABA问题，比如之前我取出来了一份值是A，但是在我进行对比之前，其它线程悄悄滴过来，把我的共享变量修改为了B，然后又修改成了A。虽然看到的都是A，其实这是被修改过的了。

7）两个数值反正都是相同的，不影响我的更新，那我还在乎ABA干嘛？

如果我们只是进行数值的原子递增之类的操作，那我们是不需要关心的。但是如果是对象呢，对象就比数值讲究多了，可能 A表面都是一样的，但是属性是不一样的。

8）怎样解决ABA问题呢？

在使用 CAS 方案的时候，一定要先 check 一下。

9）前面我们使用原子类 AtomicLong 的 getAndIncrement() 方法替代了count += 1，从而实现了线程安全。原子类 AtomicLong 的 getAndIncrement() 方法内部就是基于 CAS 实现的，那 Java 是如何使用 CAS 来实现原子化的count += 1的？

Java 1.8 版本中，getAndIncrement() 方法会转调 unsafe.getAndAddLong() 方法。这里 this 和 valueOffset 两个参数可以唯一确定共享变量的内存地址。
```
 final long getAndIncrement() {
   return unsafe.getAndAddLong(
     this, valueOffset, 1L);
 }
```

10）unsafe.getAndAddLong() 方法的底层源码实现是怎样的?

该方法首先会在内存中读取共享变量的值

之后循环调用 compareAndSwapLong() 方法来尝试设置共享变量的值，直到成功为止。

compareAndSwapLong() 是一个 native 方法，只有当内存中共享变量的值等于 expected 时，才会将共享变量的值更新为 x，并且返回 true；否则返回 fasle。

 
 public final long getAndAddLong(
   Object o, long offset, long delta){
   long v;
   do {
     // 读取内存中的值
     v = getLongVolatile(o, offset);
   } while (!compareAndSwapLong(
       o, offset, v, v + delta));
   return v;
 }
 //原子性地将变量更新为x
 //条件是内存中的值等于expected
 //更新成功则返回true
 native boolean compareAndSwapLong(
   Object o, long offset, 
   long expected,
   long x);