Unsafe:

Java无法直接访问底层操作系统,而是通过本地(native)方法来访问。不过尽管如此,JVM还是开了一个后门,

JDK中有一个类Unsafe,它提供了硬件级别的原子操作

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


由CAS分析AtomicInteger原理

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:

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。