深入理解 CAS：以 AtomicInteger 为例

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发布于: 2020 年 07 月 09 日
从本篇文章开始，我们将对JDK并发包java.util.concurrent中相关类的源码进行分析，通过分析源码，能让我们尽快地掌握并发包中提供的并发工具，能让我们更好地利用这些并发工具写出更加好的代码。本篇文章的主角是AtomicInteger，接下来，请跟随文章的节奏一起分析AtomicInteger吧！
一、问题场景引入﻿
大家都清楚，在多线程环境下，i++会存在线程不安全问题，原因是因为i++不是一个原子操作，它可以被解析为i = i + 1，它在运行时是被划分为三个步骤，分别是从主存中读取i的值到线程的工作内存中，然后线程对i值进行+1操作，最后将计算后的i值写回到主存中。因为这三个步骤不是一个原子操作，那么就存在某个线程A在进行i++操作的过程中，线程B对主存中的i值进行了读取并完成修改，那么此时线程A的计算结果就不正确了，且会出现数据被覆盖的问题，这是线程不安全的根本原因。
解决这种线程之间不可见且非原子性的操作，通常可以使用synchronized关键字来保证数据的正确性，基本的代码如下所示：
﻿
public class AtomicExample {
    
    private int size = 0;
    
    public synchronized void increment() {
        size++;
    }
}
﻿
使用synchronized关键字后，某一个时间段只能有一个线程来进行size++的操作，其他线程如果需要进行同样的操作，那么必须等待当前线程结束并释放锁后才能操作，这样就保证了数据的安全性，避免了数据被覆盖的风险。
﻿
虽然synchronized关键字能保证线程的安全，但是synchronized关键字涉及到线程之间的资源竞争与锁的获取和释放，其性能略低，那么在JDK中是是否有替代方案呢？答案当然是有，AtomicInteger在这种场景下可以替代synchronized关键字，且性能优于synchronized关键字，基本的代码如下所示：
﻿
public class AtomicExample {
    private final AtomicInteger size = new AtomicInteger(0);
    
    public void increment() {
        size.getAndIncrement();
    }
}
﻿
那么问题来了，AtomicInteger是如何保证线程的安全的呢？这就需要进入到AtomicInteger源码中一探究竟了！
二、AtomicInteger源码解析﻿
我们以上面的第二段代码为例，我们进入到AtomicInteger的源码（基于JDK8），部分源码粘贴如下所示：
﻿
public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
	
  	// unsafe对象的定义
  	private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
  
	// 省略部分代码
	// 使用volatile修饰了一个变量用来存储数值
    private volatile int value;
   	// 构造函数直接初始化value值
    public AtomicInteger(int initialValue) {
        value = initialValue;
    }
    // 无参构造，此时value默认为0
    public AtomicInteger() {
    }
	// getAndIncrement方法内部调用了unsafe的getAndAddInt方法
    public final int getAndIncrement() {
      	// unsafe定义如上静态变量所示，调用了Unsafe的getUnsafe()方法
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
    }
}
﻿
源码中使用volatile关键字修饰了vlaue属性，这样可以保证值的可见性。而getAndIncrement方法，内部调用的是Unsafe类对象的getAndAddInt方法，在正式介绍getAndAddInt方法之前，首先简单介绍一下Unsafe类。
﻿
Java语言本身是从C++语言衍生而来的，是比C++更加高级的一门语言。Java语言和C++语言有一个重要的区别就是前者无法直接操作某个内存区域，而C++语言是可以直接操作一块内存区域，可以实现自主内存区域申请和释放。虽然Java屏蔽了操作内存区域的接口，但是也提供了一个类似C++可以手动管理内存的Unsafe类，有了这个类，那么基本可以实现手动管理内存区域。
﻿
Unsafe类是包sun.misc下的一个类，这个类的大部分方法都是本地方法，比如getAndAddInt、allocateMemory、freeMemory等，这些方法都是使用了native进行修饰，底层调用的都是C++的代码，通常我们无法直接阅读本地方法的具体实现，需要进一步阅读OpenJDK的源码。这里先分析一下Unsafe类的构造方法和获取其对象的基本方法，代码如下：
﻿
public final class Unsafe {
  	// Unsafe的单例对象，由类加载的初始化阶段在静态代码块中初始化
  	private static final Unsafe theUnsafe;
  
  	static {
      	// 忽略部分代码
      	theUnsafe = new Unsafe();
    }
		private Unsafe() {
    }
    @CallerSensitive
    public static Unsafe getUnsafe() {
        Class var0 = Reflection.getCallerClass();
        if (!VM.isSystemDomainLoader(var0.getClassLoader())) {
            throw new SecurityException("Unsafe");
        } else {
          	// theUnsafe来源于单例变量
            return theUnsafe;
        }
    }
}
﻿
从上面的代码可知，Unsafe类的构造法方法是私有的，且类本身是要的是final修饰的，所以该类不可以在外部被实例化，且不能被继承。获取Unsafe类对象是通过getUnsafe方法来获取的，本质上是通过反射机制来创建对象。但是这里有个条件，调用getUnsafe方法的类必须是由启动类加载器加载才可以，否则将抛出SecurityException异常。何出此言呢？我们来对这段getUnsafe方法的代码细细地品：
﻿
public static Unsafe getUnsafe() {
	// 第一行代码是获取调用当前方法的类的Class对象
    Class var0 = Reflection.getCallerClass();
    // if条件中判断Class对象的类加载器是否是启动类加载器，如果不是，则抛出SecurityException异常
    if (!VM.isSystemDomainLoader(var0.getClassLoader())) {
        throw new SecurityException("Unsafe");
    } else {
      	// theUnsafe来源于单例变量
        return theUnsafe;
    }
}
﻿
上述的if条件中，如果VM.isSystemDomainLoader(var0.getClassLoader())返回false，那么将抛出异常，而这段代码就是判断当前调用getUnsafe方法的类的加载器是否是启动类加载器，为何这么说呢？我们进入到isSystemDomainLoader方法中看看：
﻿
public static boolean isSystemDomainLoader(ClassLoader var0) {
    return var0 == null;
}
﻿
从这段代码很简单，就是判断传入的类加载器对象是否为null，如果为null，说明这个类加载器对象是启动类加载器对象。可能我说了这么多，读者不一定理解，为了帮助大家理解，我来简单描述一下类加载器机制。常见的类加载器有启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）、拓展类加载器（Extension ClassLoader）、应用类加载器（Application ClassLoader）以及自定义类加载器（Custom ClassLoader）。
上图中不仅展示了常见的类加载器，还展示了『双亲委派机制』。双亲委派机制在JVM类加载系统中有着广泛的应用，它要求除了启动类加载器以外，其他所有的类加载器都应当有自己的父类加载器，也就是说，在现有的JVM实现中，启动类加载器没有自己的父类加载器，扩展类加载器和应用类加载器都有自己的父类加载器，其中启动类加载器是扩展类加载器的父类加载器，扩展类加载器是应用类加载器的父类加载器，而应用类加载器是自定义类加载器的父类加载器。这里需要注意一点，那就是这里的父类加载器并不是表明加载器之间存在继承关系，而是通过组合模式来实现的父类加载器的代码复用。
﻿
这里补充说明一下各个类加载器负责加载的内容：
﻿
启动类加载器：主要的职责是加载JVM在运行是需要的核心类库，这个类加载器不同于其他类加载器，这个类加载器是由C++语言编写的，它是虚拟机本身的一个组成部分，负责将<JAVA_HOME>/lib路径下的核心类库或-Xbootclasspath参数指定的路径下的jar包加载到内存中，但是并不是所有放置在<JAVA_HOME>/lib路径下的jar都会被加载，从安全角度出发，启动类加载器只加载包名为java、javax、sun等开头的类。
扩展类加载器：是指Sun公司实现的sun.misc.Launcher$ExtClassLoader类，这个类加载器是由Java语言实现的，是Launcher的静态内部类，它负责加载<JAVA_HOME>/lib/ext目录下或者由系统变量-Djava.ext.dir指定位路径中的类库，开发者可以直接使用标准扩展类加载器。
应用类加载器：是指 Sun公司实现的sun.misc.Launcher$AppClassLoader。它负责加载系统类路径java -classpath或-D java.class.path指定路径下的类库，也就是我们经常用到的classpath路径，开发者可以直接使用系统类加载器，一般情况下该类加载是程序中默认的类加载器，通过ClassLoader#getSystemClassLoader()方法可以获取到该类加载器对象。
﻿
一般情况下，开发者自己写的类都是由应用类加载器加载的，比如如下获取Unsafe对象的代码：
﻿
public class UnsafeTest {
    public static void main(String[] args) throws NoSuchFieldException, IllegalAccessException {
        Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
        System.out.println(unsafe);
    }
}
﻿
这里写的测试类UnsafeTest是由AppClassLoader加载的，所以在这个类下调用Unsafe的getUnsafe方法，必然会抛出异常，我们打断点测试一下：
只有启动类加载器加载的类，其Class对象中的类加载器才为null，因为启动类加载器是由C++运行时提供的加载能力，在JVM运行环境中无法获取它的对象信息。所以说想通过Unsafe的getUnsafe方法来获取Unsafe对象，是行不通的了，但是可以通过反射的方式来获取。
﻿
在AtomicInteger类中，是可以通过Unsafe的getUnsafe方法来获取Unsafe对象的，这是因为AtomicInteger是由启动类加载器加载的。在AtomicInteger的getAndIncrement方法中，调用了Unsafe的getAndAddInt方法，这个方法在Unsafe类中有具体实现，在看代码之前，我们首先需要了解一下getAndAddInt方法的三个参数值的含义：
﻿
第一个参数：指向当前AtomicInteger对象。
第二个参数：指向当前AtomicInteger对象的value属性在内存中的偏移量。这里特别解释一下这个value属性在内存中偏移量的含义，其实就是当前AtomicInteger对象的value属性存储在内存中某个位置的long类型数值表示，后期通过unsafe来操作这个value属性的时候都是直接去指定的offset处去读取值。我们在一开始就说过，Unsafe具有像C++一样操作内存的能力，所以这里可以理解为unsafe获取value的值是直接从内存地址中读取的。
第三个参数：就是value属性值需要加的值，这里就是常量1。
﻿
getAndAddInt的源码如下所示：
﻿
public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
    int var5;
    do {
    	// 从内存中直接获取指定对象var1的偏移量为var2的属性的值
        var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
        // 利用CAS原理来写入新值var5 + var4
    } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));
    return var5;
}
﻿
while条件中调用了unsafe的compareAndSwapInt方法，也就是常说的CAS（Compare And Swap，比较和替换）。这个方法是一个本地方法，无法看到其具体实现，但是可以通过查看OpenJDK的源码来看到compareAndSwapInt方法的C++实现。在查看C++代码之前，我们一起来分析一下compareAndSwapInt方法的四个参数。
﻿
第一个参数：指向调用getAndAddInt方法的对象，本文中是指AtomicInteger对象。
第二个参数：指向调用getAndAddInt方法的对象的属性在内存中的偏移量，这里指的是AtomicInteger对象的value属性的偏移量。
第三个参数：这个值是从unsafe的第二个参数指定内存地址中读取出来的值。
第四个参数：即将设置到主存中的值。
﻿
有了以上对参数的理解，接下来我们重点来理解CAS原理，这里我们一起来读compareAndSwapInt的源码，查看OpenJDK的源码，compareAndSwapInt的C++实现代码如下所示：
﻿
jboolean
sun::misc::Unsafe::compareAndSwapInt (jobject obj, jlong offset,
                                           jint expect, jint update)
{
   // 计算出value属性在对象所存储的值
  jint *addr = (jint *)((char *)obj + offset);
  return compareAndSwap (addr, expect, update);
}
static inline bool
compareAndSwap (volatile jint *addr, jint old, jint new_val)
{
  jboolean result = false;
  spinlock lock;
  if ((result = (*addr == old)))
    *addr = new_val;
  return result;
}
﻿
上述代码中在写回新值到主存中之前进行了一个判断，判断从内存中读取到的值是否和计算新值前的老值是一致的，如果不是一致，将不会把计算后的值写回主存，并写返回false表示写入失败。这样就使得while条件为true，那么将进行下一次的do...while循环，直到写入主存成功为止。整个流程表现为自旋的形式，先将内存中的值读取后进行进行计算，计算完毕准备写回主存之前进行判断主存中的值是否发生改变，如果发生改变，则重新重复该流程，直到写入成功为止。基本的原理图如下所示：
CAS自旋方式是很好理解的，但是存在一个ABA的问题，所谓ABA问题，就是存在于当前线程在计算结果值V的过程中，其他线程已经完成了多次主存中值的读取、计算、写回，比如将值从最初A修改为B，后又计算改为了A，虽然最后的当前线程读取的还是A，但是中间状态是没有获知的，这就是ABA问题。ABA问题广泛存在于AtomicInteger、AtomicBoolean、AtomicLong等以Atomic开头的原子类中（当然也有例外，比如AtomicStampedReference用来解决ABA问题），这是因为它们的底层都是基于Unsafe的，Unsafe本身就存在ABA问题。解决ABA问题其实并不难，那就是额外加一个版本号，每次修改了主存中的值，都需要对版本号进行标记修改，其他线程写主内存的值的时候，都需要比较比较值和版本号，两者都一致，那么才说明主存中的值没有被其他线程修改，这样可以放心去更新主存中的值。AtomicStampedReference类就是使用版本号的方式来解决ABA问题的，有兴趣的同学可以跟我一起来阅读其源码。
三、ABA问题的解决办法﻿
解决ABA问题已经有了成熟的方案，那就是通过添加版本号来进行解决的，JDK中的AtomicStampedReference就帮助我们来做了这个事情，其对应的CAS方法如下所示：
﻿
public boolean compareAndSet(V   expectedReference,
                                 V   newReference,
                                 int expectedStamp,
                                 int newStamp) {
   Pair<V> current = pair;
    return
        expectedReference == current.reference &&
        expectedStamp == current.stamp &&
        ((newReference == current.reference &&
          newStamp == current.stamp) ||
         casPair(current, Pair.of(newReference, newStamp)));
}
﻿
这个方法有四个参数，前面两个参数分别是需要比较和修改的值，后面两个参数版本号的对比值和新值。比较的原理也很简单，就是判断当expectedReference是否与当前的reference是否一致，如果不一致就说明该数据必然被其他线程修改过，如果是一致的，那么就在比较版本号是否一致，如果不一致，说明当前reference中途被修改过，但是最后还是修改回来。
﻿
数据是被存储在Pair内，Pair是AtomicStampedReference的一个内部类，如下所示：
﻿
private static class Pair<T> {
    final T reference;
    final int stamp;
    private Pair(T reference, int stamp) {
        this.reference = reference;
        this.stamp = stamp;
    }
    static <T> Pair<T> of(T reference, int stamp) {
        return new Pair<T>(reference, stamp);
    }
}
﻿
ABA问题解决办法比较简单好理解，感兴趣的同学可以再更加深入的理解一下AtomicStampedReference的源码。
四、CAS思想引发的思考4.1 乐观锁和悲观锁﻿
CAS的实现其实就是典型的乐观锁的基本思想的实现。乐观锁认为，共享数据被其他线程修改的概率比较小，所以在读取数据之前不会对数据进行加锁，读取完数据之后再进行计算，但是在写入之前，会再去读取一次共享数据，判断该数据在此期间是否被其他线程修改，如果被其他线程修改了，那么将重新读取并重复之前的操作，如果没有被修改，那么就直接将数据写回到主存中。CAS就是Compare And Swap，这是两个操作，但是这两个操作被合成了一个原子操作，从而保证了数据的线程安全。AtomicInteger就是典型的乐观锁的实现，这种思想广泛存在于各种中间件中，比如MySQL、Redis等。
﻿
相对于乐观锁，必然存在悲观锁，悲观锁认为，共享数据总可能被其他线程并发修改，所以在读取修改数据之前都会对数据进行加锁处理，保证在此时间段内只能被一个线程访问，等当前访问线程访问结束并释放锁后，那么其他的线程才有机会访问共享数据。悲观锁思想是通过上锁的方式保证了数据的安全性，但是损失了数据访问的性能，悲观锁思想应用也很广泛，比如synchronized、ReentrantLock、MySQL等都有悲观锁的实现。
4.2 阻塞和自旋﻿
阻塞和自旋其实是线程两种等待操作共享资源的方式，这两种方式也是比较常用的方式，它们主要区别在于：
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阻塞：线程进入阻塞状态，其表现为放弃CPU时间片，等待后期被操作系统线程调度器唤醒，然后在继续执行线程中的逻辑。
自旋：线程进入自旋状态，其表现为不放弃CPU时间片，利用CPU来进行“旋转”，也就是不断地进行重试。
﻿
这两种方式都有各自的应用场景，在单核CPU中，自旋不太适合，因为如果一旦自旋持续进行很久，那么其他线程都将无法被执行，在这种场景下，更加适合阻塞。在多核CPU下，自旋就很适合，以为其他CPU核心可以持续工作，当前CPU核心的线程中的任务在自旋，可以减少线程切换的次数，提高性能。
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Atomic类是基于Unsafe来实现的，底层的基本原理都是采用的自旋方式，在现代多核CPU中应用效果还是十分可观的。当然阻塞和自旋并不是一对互斥的关系，它们可以很好地结合起来应用，比如自适应自旋锁的应用，其基本原理是优先自旋，达到一定次数之后仍然没有得到资源，那么就进入到阻塞状态。在JDK1.6之后，自旋锁是默认开启的，适用于锁被占用时间很多的情况，反之自旋的线程只会白白消耗处理器资源，反而带来了性能上的浪费。所以自旋等待的时间必须有一定的限度，超过了限定的次数仍然没有成功获取锁，就应当使用传统的方式挂起线程了。自旋次数的默认值是10，用户可以通过-XX:PreBlockSpin来更改。
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本文以AtomicInteger为例分析了CAS的基本实现原理，其他的比如AtomicBoolean、AtomicLong的基本原理都是一样的，感兴趣的读者可以对比阅读器源码进行分析。
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