java Unsafe与CAS 学习

java
Unsafe

java不能直接访问操作系统底层，而是通过本地方法来访问。Unsafe类提供了硬件级别的原子操作，主要提供了以下功能：
1、通过Unsafe类可以分配内存，可以释放内存；
类中提供的3个本地方法allocateMemory、reallocateMemory、freeMemory分别用于分配内存，扩充内存和释放内存，与C语言中的3个方法对应。
2、可以定位对象某字段的内存位置，也可以修改对象的字段值，即使它是私有的；

1
2
3
4
5
public native long allocateMemory(long var1);

public native long reallocateMemory(long var1, long var3);

public native void setMemory(Object var1, long var2, long var4, byte var6);

CAS

CAS，Compare and Swap即比较并交换，设计并发算法时常用到的一种技术，java.util.concurrent包全完建立在CAS之上，没有CAS也就没有此包，可见CAS的重要性。

当前的处理器基本都支持CAS，只不过不同的厂家的实现不一样罢了。CAS有三个操作数：内存值V、旧的预期值A、要修改的值B，当且仅当预期值A和内存值V相同时，将内存值修改为B并返回true，否则什么都不做并返回false。
CAS也是通过Unsafe实现的，看下Unsafe下的三个方法：

1
2
3
4
5
public final native boolean compareAndSwapObject(Object var1, long var2, Object var4, Object var5);

public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);

public final native boolean compareAndSwapLong(Object var1, long var2, long var4, long var6);

就拿中间这个比较并交换Int值为例好了，如果我们不用CAS，那么代码大致是这样的：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
 public int i = 1;
     
 public boolean compareAndSwapInt(int j)
 {
     if (i == 1)
     {
         i = j;
         return true;
     }
   return false;
}

当然这段代码在并发下是肯定有问题的，有可能线程1运行到了第5行正准备运行第7行，线程2运行了，把i修改为10，线程切换回去，线程1由于先前已经满足第5行的if了，所以导致两个线程同时修改了变量i。

解决办法也很简单，给compareAndSwapInt方法加锁同步就行了，这样，compareAndSwapInt方法就变成了一个原子操作。CAS也是一样的道理，比较、交换也是一组原子操作，不会被外部打断，先根据paramLong/paramLong1获取到内存当中当前的内存值V，在将内存值V和原值A作比较，要是相等就修改为要修改的值B，由于CAS都是硬件级别的操作，因此效率会高一些。

由CAS分析AtomicInteger原理

java.util.concurrent.atomic包下的原子操作类都是基于CAS实现的，下面拿AtomicInteger分析一下，首先是AtomicInteger类变量的定义：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
 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;

关于这段代码中出现的几个成员属性：

1、Unsafe是CAS的核心类，前面已经讲过了

2、valueOffset表示的是变量值在内存中的偏移地址，因为Unsafe就是根据内存偏移地址获取数据的原值的

3、value是用volatile修饰的，这是非常关键的

下面找一个方法getAndIncrement来研究一下AtomicInteger是如何实现的，比如我们常用的addAndGet方法：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13

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

public final int get() {
        return value;
    }

这段代码如何在不加锁的情况下通过CAS实现线程安全，我们不妨考虑一下方法的执行：

1、AtomicInteger里面的value原始值为3，即主内存中AtomicInteger的value为3，根据Java内存模型，线程1和线程2各自持有一份value的副本，值为3

2、线程1运行到第三行获取到当前的value为3，线程切换

3、线程2开始运行，获取到value为3，利用CAS对比内存中的值也为3，比较成功，修改内存，此时内存中的value改变比方说是4，线程切换

4、线程1恢复运行，利用CAS比较发现自己的value为3，内存中的value为4，得到一个重要的结论–>此时value正在被另外一个线程修改，所以我不能去修改它

5、线程1的compareAndSet失败，循环判断，因为value是volatile修饰的，所以它具备可见性的特性，线程2对于value的改变能被线程1看到，只要线程1发现当前获取的value是4，内存中的value也是4，说明线程2对于value的修改已经完毕并且线程1可以尝试去修改它

6、最后说一点，比如说此时线程3也准备修改value了，没关系，因为比较-交换是一个原子操作不可被打断，线程3修改了value，线程1进行compareAndSet的时候必然返回的false，这样线程1会继续循环去获取最新的value并进行compareAndSet，直至获取的value和内存中的value一致为止

整个过程中，利用CAS机制保证了对于value的修改的线程安全性。

CAS的缺点

CAS看起来很美，但这种操作显然无法涵盖并发下的所有场景，并且CAS从语义上来说也不是完美的，存在这样一个逻辑漏洞：如果一个变量V初次读取的时候是A值，并且在准备赋值的时候检查到它仍然是A值，那我们就能说明它的值没有被其他线程修改过了吗？如果在这段期间它的值曾经被改成了B，然后又改回A，那CAS操作就会误认为它从来没有被修改过。这个漏洞称为CAS操作的”ABA”问题。java.util.concurrent包为了解决这个问题，提供了一个带有标记的原子引用类”AtomicStampedReference”，它可以通过控制变量值的版本来保证CAS的正确性。不过目前来说这个类比较”鸡肋”，大部分情况下ABA问题并不会影响程序并发的正确性，如果需要解决ABA问题，使用传统的互斥同步可能回避原子类更加高效。

本文标题:java Unsafe与CAS 学习

文章作者:剑客爱编程

发布时间:2017-09-04, 23:01:03

最后更新:2017-09-04, 22:49:21

原始链接:https://iskylove.github.io/2017/09/04/java_unsafe_and_cas/

许可协议: "署名-非商用-相同方式共享 4.0" 转载请保留原文链接及作者。

文章目录
  1. 1. Unsafe
  2. 2. CAS
  3. 3. 由CAS分析AtomicInteger原理
  4. 4. CAS的缺点
,