学习非阻塞的同步机制CAS_F11 - 专业站长和开发者的学习网站

本篇文章介绍非阻塞的同步机制CAS。

在研究线程池的执行原理时，看到一段不断循环重试的代码，不理解它的原理，看注释这是CAS的实现，所以学会之后记录下来。

锁有什么劣势

在多线程并发下，可以通过加锁来保证线程安全性，但多个线程同时请求锁，很多情况下避免不了要借助操作系统，线程挂起和恢复会存在很大的开销，并存在很长时间的中断。

一些细粒度的操作，例如同步容器，操作往往只有很少代码量，如果存在锁并且线程激烈地竞争，调度的代价很大。

总结来说，线程持有锁，会让其他需要锁的线程阻塞，产生多种风险和开销。加锁是一种悲观方法，线程总是设想在自己持有资源的同时，肯定有其他线程想要资源，不牢牢锁住资源还不能放心呢。

在硬件的支持下，出现了非阻塞的同步机制，其中一种常用实现就是CAS。

什么是CAS

现代的处理器都包含对并发的支持，其中最通用的方法就是比较并交换（compare and swap），简称CAS。

CAS 操作包含三个操作数 —— 内存位置（V）、预期原值（A）和新值(B)。如果内存位置的值与预期原值相匹配，那么处理器会自动将该位置值更新为新值。否则，处理器不做任何操作。无论V值是否等于A值，都将返回V的原值。CAS 有效地说明了：我认为位置 V 应该包含值 A；如果包含该值，则将 B 放到这个位置；否则，不要更改该位置，只告诉我这个位置现在的值即可。

当多个线程尝试使用CAS同时更新一个变量，最终只有一个线程会成功，其他线程都会失败。但和使用锁不同，失败的线程不会被阻塞，而是被告之本次更新操作失败了，可以再试一次。

此时，线程可以根据实际情况，继续重试或者跳过操作，大大减少因为阻塞而损失的性能。所以，CAS是一种乐观的操作，它希望每次都能成功地执行更新操作。

public class SimulationCAS {
private int value;
public synchronized int get() {
return value;
}
public synchronized boolean compareAndSet(int expectedValue, int newValue) {
if (expectedValue == compareAndSwap(expectedValue, newValue)) {
return true;
}
return false;
}
public synchronized int compareAndSwap(int expectedValue, int newValue) {
int oldValue = value;
if (oldValue == expectedValue) {
value = newValue;
}
return oldValue;
}
}

上面的代码模拟了CAS的操作，其中compareAndSwap是CAS语义的体现，compareAndSet对value进行了更新操作，并返回成功与否。

几行代码就实现了CAS，是不是觉得很简单呢？但你要知道，CAS仅仅告诉你操作结果，操作失败后一系列重试回退放弃等操作都要自己实现，开发起来远比使用锁复杂。

Atom原子类

JVM是支持CAS的，体现在我们常用的Atom原子类，拿AtomicInteger分析一下源码。

public final int getAndIncrement() {
for (;;) {
int current = get();
int next = current + 1;
if (compareAndSet(current, next))
return current;
}
}

对AtomicInteger进行+1操作，循环里，会将当前值和+1后的目标值传入compareAndSet，直到成功才跳出方法。compareAndSet是不是很熟悉呢，接着来看看它的代码。

// setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updates
private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}

compareAndSet调用了unsafe.compareAndSwapInt，这是一个native方法，原理就是调用硬件支持的CAS方法。看懂这个应该就能明白Atom类的原理，其他方法的实现是类似的。

线程池里的CAS

有了CAS的基础后，可以来研究那段我未看懂的代码。

提交一个执行任务，线程池会尝试增加一个工作线程去处理任务。下面是ThreadPoolExecutor里addWorker的一段代码：

private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
retry:
for (;;) {
int c = ctl.get();
int rs = runStateOf(c);
// Check if queue empty only if necessary.
if (rs >= SHUTDOWN &&
! (rs == SHUTDOWN &&
firstTask == null &&
! workQueue.isEmpty()))
return false;
for (;;) {
int wc = workerCountOf(c);
if (wc >= CAPACITY ||
wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))
return false;
if (compareAndIncrementWorkerCount(c))
break retry;
c = ctl.get(); // Re-read ctl
if (runStateOf(c) != rs)
continue retry;
// else CAS failed due to workerCount change; retry inner loop
}
}

//其他省略

在内循环里，会调用compareAndIncrementWorkerCount方法增加一个工作线程，原理和AtomicInteger的getAndIncrement方法是一样的。如果增加成功，直接跳出循环，否则在检查线程池状态后，再次在内循环调用compareAndIncrementWorkerCount，直到添加成功。

现在再看代码，瞬间就明白了。