Java为何能将读与写封装为一个原子操作
架构研究所2018-11-30 07:48
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1背景
在编程中，我们知道如果对一个变量读取然后写入这并不是一个原子操作，例如我们常用的i++操作，其实可以简单划分为以下三步：
以上三步操作时独立的，因此并不是原子化的。如果i变量在第1步和第3步之间被其他线程更改则会引发意向不到的结果。例如线程1对i=5进行i++操作时，线程2对变量i进行了写入操作，则还会发生混乱。如图所示：
此时我们看到，因为i++操作不是原子的，中间受到线程2的影响，使得i++的操作是错误的。
如果是原子化操作，则i++操作要么发生在线程2的操作之前，最终得到i=3；要么发生在线程2操作之后，得到i=4。而不能出现i=6这样的结果。
其实i++就是一个最简单的汇聚了读取和写入的操作，因此读取并写入操作并不是原子化的。可是，Java中确实能够将读取并写入操作封装为一个原子化操作。那它是怎样实现的呢？
我们先介绍一种粗暴的实现：使用同步块实现原子化。
2使用同步块实现原子化
为了能实现i++操作的原子化，则最容易想到的就是使用同步块：
但这显然大材小用，将整个操作放置在同步块中，虽然借助同步块实现了原子化，但因为同步块的操作要进行锁的分配等，使得程序的整体效率受到了影响。
而我们知道Java中AtomicInteger类可以直接将读和写封装在一个原子操作中实现原子化的i++等操作，那它们是怎么实现的呢？我们接下来进行探讨。
3硬件CAS操作
Java中AtomicInteger类便可以将读和写封装在一个原子操作中。那它是怎么实现的呢？
它使用的是CAS操作。CAS是compare and swap的缩写，中文可以翻译成：比较并交换。CAS操作来源于底层硬件领域。因为CAS能够极大地提高并发效率，因此在硬件设计领域，CAS这种操作就是存在的。例如在intel的CPU中，使用cmpxchg指令就可以实现CAS操作。我们详细介绍下CAS操作的原理：
CAS操作一共包含三个操作数：内存位置(V)、预期原值(A)和新值(B)。具体操作过程如下：
首先，返回V位置的原值R
如果内存位置的值R与预期原值A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
无论结果如何，该操作总能拿到V处的原值R，如果R等于A，则说明V处的值已经被更新为了B；否则说明更新失败，V处的值依旧是R。因此，经过该操作后，可以知道CAS操作是否成功。
当然，还有一种CAS实现是直接返回操作是否成功的结果，即：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，并返回操作成功；否则，返回操作失败。
但是这与返回V位置原值的方式大同小异，而且返回原值R的实现方式不仅能获得操作是否成功的结果，还能顺便获得R值，因此更为常用。
4Java中的CAS操作
在Java初期，java是无法直接利用这些硬件操作来提升并发性能的，直到后来Java本地方法(JNI)的出现，使得Java直接调用本地方法称为可能，在Doug Lea提供的cucurenct包得以实现。
在Java中如何实现呢？其实知道了CAS操作的原理，一下就变得简单起来。我们还是以i++操作为例，介绍CAS整个过程：
读取内存位置V的原值R
因为进行的是i++操作，因此CAS操作的预期原值A=R、新值B=R+1，进行CAS。
获取V的原值R
如果R等于A，更改成功，操作结束
如果R不等于A，则没有更改。但是获取当前时刻V的原值，将R重新设置为该值。则预期原值A=R、新值B=R+1，然后在继续进行CVS。
空口无凭，我们看一下AtomicInteger中i++操作的实现方法getAndIncrement()：
而getAndAddInt()方法如下：
我们继续追踪到compareAndSwapInt()方法，分析该方法是一个本地方法。
稍加需要注意的是，可能由于其他原因，这里的compareAndSet采用的是返回操作是否成功的实现方式，而不是返回当前内存位置原值R的方式。因此在每一次进行CAS操作时，都需要先调用getIntVolatile(var1, var2)方法获取一次当前的变量值作为预期原值A。
因此，getAndIncrement()的具体操作就是：
获取当前值，在此基础上+1作为目标值
进行CAS操作
如果不成功，说明值不是最新的。重新获取值，不断再试。
如此一来，我们就知道了Java中是如何将读取和写入这两个操作封装成一个原子操作的。
5总结
CAS的思想本质上就是乐观锁思想。即：假设情况都是乐观的，那么当前内存位置V的值是预期原值A，如果这样，请把内存位置V的值设置为新值B;否则，乐观的情况不成立，什么也别做。
乐观锁的思想减少了使用同步块等悲观锁的开销，但是本质是基于乐观锁思想的，因此肯定存在一些问题。
对与CAS引发的问题与解决办法，我们将会在下次文章中详细介绍。
End
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