轎車從天而降電動車主被撞身亡 超速搶道所致：現(xiàn)場視頻讓網(wǎng)友吵翻
近日，上海青浦區(qū)法院判決轎車從天而降電動車主被撞身亡案，轎車車主被判有期徒刑一年。案件顯示當(dāng)時男子駕駛轎車在上海某路段行駛，前車忽然轉(zhuǎn)彎提速超車，
傳統(tǒng)的并發(fā)控制手段，如使用synchronized關(guān)鍵字或者ReentrantLock等互斥鎖機(jī)制，雖然能夠有效防止資源的競爭沖突，但也可能帶來額外的性能開銷，如上下文切換、鎖競爭導(dǎo)致的線程阻塞等。而此時就出現(xiàn)了一種樂觀鎖的策略，以其非阻塞、輕量級的特點(diǎn)，在某些場合下能更好地提升并發(fā)性能，其中最為關(guān)鍵的技術(shù)便是Compare And Swap（簡稱CAS）。
CAS是一種無鎖算法，它在硬件級別提供了原子性的條件更新操作，允許線程在不加鎖的情況下實(shí)現(xiàn)對共享變量的修改。在Java中，CAS機(jī)制被廣泛應(yīng)用于java.util.concurrent.atomic包下的原子類以及高級并發(fā)工具類如AbstractQueuedSynchronizer（AQS）的實(shí)現(xiàn)中。
CAS是一種原子指令，常用于多線程環(huán)境中的無鎖算法。CAS操作包含三個基本操作數(shù)：內(nèi)存位置、期望值和新值。在執(zhí)行CAS操作時，計算機(jī)會檢查內(nèi)存位置當(dāng)前是否存放著期望值，如果是，則將內(nèi)存位置的值更新為新值；若不是，則不做任何修改，保持原有值不變，并返回當(dāng)前內(nèi)存位置的實(shí)際值。
在Java中，CAS機(jī)制被封裝在jdk.internal.misc.Unsafe類中，盡管這個類并不建議在普通應(yīng)用程序中直接使用，但它是構(gòu)建更高層次并發(fā)工具的基礎(chǔ)，例如java.util.concurrent.atomic包下的原子類如AtomicInteger、AtomicLong等。這些原子類通過JNI調(diào)用底層硬件提供的CAS指令，從而在Java層面上實(shí)現(xiàn)了無鎖并發(fā)操作。
這里指的注意的是，在JDK1.9之前CAS機(jī)制被封裝在sun.misc.Unsafe類中，在JDK1.9之后就使用了 jdk.internal.misc.Unsafe。這點(diǎn)由java.util.concurrent.atomic包下的原子類可以看出來。而sun.misc.Unsafe被許多第三方庫所使用。
在Java中，雖然Java語言本身并未直接提供CAS這樣的原子指令，但是Java可以通過JNI調(diào)用本地方法來利用硬件級別的原子指令實(shí)現(xiàn)CAS操作。在Java的標(biāo)準(zhǔn)庫中，特別是jdk.internal.misc.Unsafe類提供了一系列compareAndSwapXXX方法，這些方法底層確實(shí)是通過C++編寫的內(nèi)聯(lián)匯編來調(diào)用對應(yīng)CPU架構(gòu)的cmpxchg指令，從而實(shí)現(xiàn)原子性的比較和交換操作。
cmpxchg指令是多數(shù)現(xiàn)代CPU支持的原子指令，它能在多線程環(huán)境下確保一次比較和交換操作的原子性，有效解決了多線程環(huán)境下數(shù)據(jù)競爭的問題，避免了數(shù)據(jù)不一致的情況。例如，在更新一個共享變量時，如果期望值與當(dāng)前值相匹配，則原子性地更新為新值，否則不進(jìn)行更新操作，這樣就能在無鎖的情況下實(shí)現(xiàn)對共享資源的安全訪問。 我們以java.util.concurrent.atomic包下的AtomicInteger為例，分析其compareAndSet方法。
public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable { private static final long serialVersionUID = 6214790243416807050L; //由這里可以看出來，依賴jdk.internal.misc.Unsafe實(shí)現(xiàn)的 private static final jdk.internal.misc.Unsafe U = jdk.internal.misc.Unsafe.getUnsafe(); private static final long VALUE = U.objectFieldOffset(AtomicInteger.class, "value"); private volatile int value; public final boolean compareAndSet(int expectedValue, int newValue) { // 調(diào)用 jdk.internal.misc.Unsafe的compareAndSetInt方法 return U.compareAndSetInt(this, VALUE, expectedValue, newValue); }}Unsafe中的compareAndSetInt使用了@HotSpotIntrinsicCandidate注解修飾，@HotSpotIntrinsicCandidate注解是Java HotSpot虛擬機(jī)（JVM）的一個特性注解，它表明標(biāo)注的方法有可能會被HotSpot JVM識別為“內(nèi)聯(lián)候選”，當(dāng)JVM發(fā)現(xiàn)有方法被標(biāo)記為內(nèi)聯(lián)候選時，會嘗試?yán)玫讓佑布峁┑脑又噶睿ū热鏲mpxchg指令）直接替換掉原本的Java方法調(diào)用，從而在運(yùn)行時獲得更好的性能。
public final class Unsafe { @HotSpotIntrinsicCandidate public final native boolean compareAndSetInt(Object o, long offset, int expected, int x);}compareAndSetInt這個方法我們可以從openjdk的hotspot源碼（位置：hotspot/src/share/vm/prims/unsafe.cpp）中可以找到：
{CC "compareAndSetObject",CC "(" OBJ "J" OBJ "" OBJ ")Z", FN_PTR(Unsafe_CompareAndSetObject)},{CC "compareAndSetInt", CC "(" OBJ "J""I""I"")Z", FN_PTR(Unsafe_CompareAndSetInt)},{CC "compareAndSetLong", CC "(" OBJ "J""J""J"")Z", FN_PTR(Unsafe_CompareAndSetLong)},{CC "compareAndExchangeObject", CC "(" OBJ "J" OBJ "" OBJ ")" OBJ, FN_PTR(Unsafe_CompareAndExchangeObject)},{CC "compareAndExchangeInt", CC "(" OBJ "J""I""I"")I", FN_PTR(Unsafe_CompareAndExchangeInt)},{CC "compareAndExchangeLong", CC "(" OBJ "J""J""J"")J", FN_PTR(Unsafe_CompareAndExchangeLong)},關(guān)于openjdk的源碼，本文源碼版本為1.9，如需要該版本源碼或者其他版本下載方法，請關(guān)注本公眾號【碼農(nóng)Academy】后，后臺回復(fù)【openjdk】獲取
而hostspot中的Unsafe_CompareAndSetInt函數(shù)會統(tǒng)一調(diào)用Atomic的cmpxchg函數(shù)：
UNSAFE_ENTRY(jboolean, Unsafe_CompareAndSetInt(JNIEnv *env, jobject unsafe, jobject obj, jlong offset, jint e, jint x)) {oop p = JNIHandles::resolve(obj);jint* addr = (jint *)index_oop_from_field_offset_long(p, offset);// 統(tǒng)一調(diào)用Atomic的cmpxchg函數(shù)return (jint)(Atomic::cmpxchg(x, addr, e)) == e;} UNSAFE_END而Atomic的cmpxchg函數(shù)源碼(位置：hotspot/src/share/vm/runtime/atomic.hpp)如下：
/***這是按字節(jié)大小進(jìn)行的`cmpxchg`操作的默認(rèn)實(shí)現(xiàn)。它使用按整數(shù)大小進(jìn)行的`cmpxchg`來模擬按字節(jié)大小進(jìn)行的`cmpxchg`。不同的平臺可以通過定義自己的內(nèi)聯(lián)定義以及定義`VM_HAS_SPECIALIZED_CMPXCHG_BYTE`來覆蓋這個默認(rèn)實(shí)現(xiàn)。這將導(dǎo)致使用特定于平臺的實(shí)現(xiàn)而不是默認(rèn)實(shí)現(xiàn)。* exchange_value：要交換的新值。* dest：指向目標(biāo)字節(jié)的指針。* compare_value：要比較的值。* order：內(nèi)存順序。*/inline jbyte Atomic::cmpxchg(jbyte exchange_value, volatile jbyte* dest, jbyte compare_value, cmpxchg_memory_order order) { STATIC_ASSERT(sizeof(jbyte) == 1); volatile jint* dest_int = static_cast<volatile jint*>(align_ptr_down(dest, sizeof(jint))); size_t offset = pointer_delta(dest, dest_int, 1); // 獲取當(dāng)前整數(shù)大小的值，并將其轉(zhuǎn)換為字節(jié)數(shù)組。 jint cur = *dest_int; jbyte* cur_as_bytes = reinterpret_cast<jbyte*>(&cur); // 設(shè)置當(dāng)前整數(shù)中對應(yīng)字節(jié)的值為compare_value。這確保了如果初始的整數(shù)值不是我們要找的值，那么第一次的cmpxchg操作會失敗。 cur_as_bytes[offset] = compare_value; // 在循環(huán)中，不斷嘗試更新目標(biāo)字節(jié)的值。 do { // new_val jint new_value = cur; // 復(fù)制當(dāng)前整數(shù)值，并設(shè)置其中對應(yīng)字節(jié)的值為exchange_value。 reinterpret_cast<jbyte*>(&new_value)[offset] = exchange_value; // 嘗試使用新的整數(shù)值替換目標(biāo)整數(shù)。 jint res = cmpxchg(new_value, dest_int, cur, order); if (res == cur) break; // 如果返回值與原始整數(shù)值相同，說明操作成功。 // 更新當(dāng)前整數(shù)值為cmpxchg操作的結(jié)果。 cur = res; // 如果目標(biāo)字節(jié)的值仍然是我們之前設(shè)置的值，那么繼續(xù)循環(huán)并再次嘗試。 } while (cur_as_bytes[offset] == compare_value); // 返回更新后的字節(jié)值 return cur_as_bytes[offset];}而由cmpxchg函數(shù)中的do...while我們也可以看出，當(dāng)多個線程同時嘗試更新同一內(nèi)存位置，且它們的期望值相同但只有一個線程能夠成功更新時，其他線程的CAS操作會失敗。對于失敗的線程，常見的做法是采用自旋鎖的形式，即循環(huán)重試直到成功為止。這種方式在低競爭或短時間窗口內(nèi)的并發(fā)更新時，相比于傳統(tǒng)的鎖機(jī)制，它避免了線程的阻塞和喚醒帶來的開銷，所以它的性能會更優(yōu)。
在Java中，CAS操作的實(shí)現(xiàn)主要依賴于兩個關(guān)鍵組件：sun.misc.Unsafe類、jdk.internal.misc.Unsafe類以及java.util.concurrent.atomic包下的原子類。盡管Unsafe類提供了對底層硬件原子操作的直接訪問，但由于其API是非公開且不穩(wěn)定的，所以在常規(guī)開發(fā)中并不推薦直接使用。Java標(biāo)準(zhǔn)庫提供了豐富的原子類，它們是基于Unsafe封裝的安全、便捷的CAS操作實(shí)現(xiàn)。
Java標(biāo)準(zhǔn)庫中的atomic包為開發(fā)者提供了許多原子類，如AtomicInteger、AtomicLong、AtomicReference等，它們均內(nèi)置了CAS操作邏輯，使得我們可以在更高的抽象層級上進(jìn)行無鎖并發(fā)編程。
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而對于這個問題，其實(shí)也很好解決，我們給這個數(shù)據(jù)加上一個時間戳或者版本號（樂觀鎖概念）。即每次不僅比較值，還會比較版本。比如上述示例，初始時str的值的版本是1，然后線程2操作后值變成B，而對應(yīng)版本變成了2，然后線程3操作后值變成了A，版本變成了3，而對于線程2來說，雖然值還是A，但是版本號變了，所以線程2依然會執(zhí)行替換的操作。
Java的原子類就提供了類似的實(shí)現(xiàn)，如AtomicStampedReference和AtomicMarkableReference引入了附加的標(biāo)記位或版本號，以便區(qū)分不同的修改序列。
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Java中的CAS原理及其在并發(fā)編程中的應(yīng)用是一項(xiàng)非常重要的技術(shù)。CAS利用CPU硬件提供的原子指令，實(shí)現(xiàn)了在無鎖環(huán)境下的高效并發(fā)控制，避免了傳統(tǒng)鎖機(jī)制帶來的上下文切換和線程阻塞開銷。Java通過JNI接口調(diào)用底層的CAS指令，封裝在jdk.internal.misc類和java.util.concurrent.atomic包下的原子類中，為我們提供了簡潔易用的API來實(shí)現(xiàn)無鎖編程。
CAS在帶來并發(fā)性能提升的同時，也可能引發(fā)循環(huán)開銷過大、ABA問題等問題。針對這些問題，Java提供了如LongAdder、AtomicStampedReference和AtomicMarkableReference等工具類來解決ABA問題，同時也通過自適應(yīng)自旋、適時放棄自旋轉(zhuǎn)而進(jìn)入阻塞等待等方式降低循環(huán)開銷。
理解和熟練掌握CAS原理及其在Java中的應(yīng)用，有助于我們在開發(fā)高性能并發(fā)程序時作出更明智的選擇，既能提高系統(tǒng)并發(fā)性能，又能保證數(shù)據(jù)的正確性和一致性。
本文鏈接：http://www.www897cc.com/showinfo-26-84469-0.html美團(tuán)一面：什么是CAS？有什么優(yōu)缺點(diǎn)？我說我知道AtomicInteger
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