Java多執行緒（5）：CAS

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在JDK1.5之前，Java的多執行緒都是靠synchronized來保證同步的，這會引起很多效能問題，例如死鎖。但隨著Java的不斷完善，JNI（Java Native Interface）使得Java能越過JVM直接呼叫本地方法，例如CAS。

CAS是Compare And Swap（比較與交換）的縮寫，它用於實現多執行緒同步的原子指令，允許演演算法執行讀-修改-寫操作，而無需擔心其他執行緒同時修改變數。說人話，意思就是它的操作過程足夠細微，以至於執行緒都奈何不了它。

所謂原子指令就是指不會被執行緒排程機制打斷的操作指令，這種操作一旦開始，就一直執行到結束，中間不會有任何執行緒切換，即要麼全部完成，要麼全部中斷。換一種說法，就是CAS可以保證Java運算實現我們想要的操作而無需擔心會受到多執行緒的影響。

某種程度上，CAS可以用來取代synchronized的強制同步，提升效能。其實整個java.util.concurrent包都是建立在CAS之上的，尤其是Java中大多數鎖的實現基礎類別AbstractQueuedSynchronizer，更是以CAS為基礎，提供了一系列的獨佔鎖、共用鎖、可重入鎖、自旋鎖、讀寫鎖等多執行緒控制手段（這在後面會說）。就像圖中那樣：

Java對CAS的實現都在java.util.concurrent.atomic包下（java.util.concurrent也簡稱JUC，這是個簡稱。所以如果有面試官說想讓你談談JUC相關的問題，不要一臉懵，否則會被立即淘汰）。以AtomicInteger為例，從原始碼可以看出CAS操作都是通過sun包下Unsafe類實現，而Unsafe類中的方法都是native方法，由本地實現，和作業系統、CPU都有關係。CAS有一個比較通用的實現模式：

1、首先宣告（共用）變數為volatile

2、然後使用CAS的原子條件來更新

3、同時配合volatile的可見性來實現執行緒之間的同步

前面講過，不用深究volatile關鍵字的用途，因為隨著機器設定的豪華，其實這個關鍵字已經沒啥用了，而且也可以看到，在CAS裡面也有大量出現，JDK已經替你用好了，自己如果不太熟悉就不要用了。CAS相關類結構圖是：

還是老規矩，用程式碼來舉例：

/**
 * 僅用AtomicInteger實現CAS
 *
 * @author 湘王
 */
public class AtomicIntegerTester1 {
    // 使用AtomicInteger實現CAS，有沒有volatile都不影響
    public static volatile AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(3);

        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            Runnable runnable = new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    atomicInteger.getAndIncrement();
                }
            };
            executor.submit(runnable);
        }

        // 為了觀察效果休眠，但實際生產環境中肯定不允許
        Thread.sleep(100);
        executor.shutdown();
        System.out.println(atomicInteger.get());
    }
}



/**
 * 用AtomicIntegerFieldUpdater實現CAS
 *
 * @author 湘王
 */
public class AtomicIntegerTester2 {
    /*
     * 使用AtomicIntegerFieldUpdater實現CAS，相關計算欄位必須用volatile修飾，不然拋異常
     * Caused by: java.lang.IllegalArgumentException: Must be volatile type
     *
     */
    public volatile int count = 0;
    public static final AtomicIntegerFieldUpdater<AtomicIntegerTester2> lockUpdate = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(AtomicIntegerTester2.class, "count");

    public int increase(int inc) {
        return lockUpdate.addAndGet(this, inc);
    }

    public int get() {
        return lockUpdate.get(this);
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        AtomicIntegerTester2 tester = new AtomicIntegerTester2();
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(3);
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            Runnable runnable = new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    tester.increase(1);
                }
            };
            executor.submit(runnable);
        }
        // 為了觀察效果休眠，但實際生產環境中肯定不允許
        Thread.sleep(100);
        executor.shutdown();
        System.out.println(tester.get());
    }
}

CAS的內容並不多，可以看看它的原始碼，還是比較有意思的。

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