對于并發(fā)控制而言，我們平時(shí)用的鎖（synchronized，Lock）是一種悲觀(guān)的策略。它總是假設每一次臨界區操作會(huì )產(chǎn)生沖突，因此，必須對每次操作都小心翼翼。如果多個(gè)線(xiàn)程同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)臨界區資源，就寧可犧牲性能讓線(xiàn)程進(jìn)行等待，所以鎖會(huì )阻塞線(xiàn)程執行。
與之相對的有一種樂(lè )觀(guān)的策略，它會(huì )假設對資源的訪(fǎng)問(wèn)是沒(méi)有沖突的。既然沒(méi)有沖突也就無(wú)需等待了，所有的線(xiàn)程都在不停頓的狀態(tài)下持續執行。那如果遇到問(wèn)題了無(wú)鎖的策略使用一種叫做比較交換（CAS Compare And Swap）來(lái)鑒別線(xiàn)程沖突，一旦檢測到?jīng)_突產(chǎn)生，就重試當前操作直到?jīng)]有沖突。CAS算法是非阻塞的，它對死鎖問(wèn)題天生免疫，而且它比基于鎖的方式擁有更優(yōu)越的性能。
CAS算法的過(guò)程是這樣：它包含三個(gè)參數 CAS（V,E,N）。V表示要更新的變量，E表示預期的值，N表示新值。僅當V值等于E值時(shí)，才會(huì )將V的值設置成N，否則什么都不做。最后CAS返回當前V的值。CAS算法需要你額外給出一個(gè)期望值，也就是你認為現在變量應該是什么樣子，如果變量不是你想象的那樣，那說(shuō)明已經(jīng)被別人修改過(guò)。你就重新讀取，再次嘗試修改即可。
JDK并發(fā)包有一個(gè)atomic包，里面實(shí)現了一些直接使用CAS操作的線(xiàn)程安全的類(lèi)型。其中最常用的一個(gè)類(lèi)應該就是AtomicInteger。我們以此為例來(lái)研究一下沒(méi)有鎖的情況下如何做到線(xiàn)程安全。
private volatile int value;這是AtomicInteger類(lèi)的核心字段，代表當前實(shí)際取值，借助volatile保證線(xiàn)程間數據的可見(jiàn)性。
獲取內部數據的方法：
public final int get() { return value; }
我們關(guān)注一下incrementAndGet()的內部實(shí)現
1 public final int incrementAndGet() {2 for (;;) {3 int current = get();4 int next = current + 1;5 if (compareAndSet(current, next))6 return next;7 }8 }
代碼第二行使用了一個(gè)死循環(huán)，原因是：CAS的操作未必都是成功的，因此對于不成功的情況，我們就需要進(jìn)行不斷的嘗試。第三行取得當前值，接著(zhù)+1得到新值next。這里我們使用CAS必需的兩個(gè)參數：期望值以及新值。使用compareAndSet()將新值next寫(xiě)入。成功的條件是在寫(xiě)入的時(shí)刻，當前的值應該要等于剛剛取到的current。如果不是這樣則說(shuō)明AtomicInteger的值在第3行到第5行之間被其他線(xiàn)程修改過(guò)了。當前看到的狀態(tài)是一個(gè)過(guò)期的狀態(tài)，因此返回失敗，需要進(jìn)行下一次重試，知道成功為止。
public final boolean compareAndSet(int expect, int update) { return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update); }
整體的過(guò)程就是這樣子的，利用CPU的CAS指令，同時(shí)借助JNI來(lái)完成Java的非阻塞算法。其它原子操作都是利用類(lèi)似的特性完成的。大概的邏輯應該是這樣：
if (this == expect) { this = update return true;} else { return false;}
CAS雖然能高效的解決原子問(wèn)題，但是CAS也會(huì )帶來(lái)1個(gè)經(jīng)典問(wèn)題即ABA問(wèn)題：
因為CAS需要在操作值的時(shí)候檢查下值有沒(méi)有發(fā)生變化，如果沒(méi)有發(fā)生變化則更新，但是如果一個(gè)值原來(lái)是A，變成了B，又變成了A，那么使用CAS進(jìn)行檢查時(shí)會(huì )發(fā)現它的值沒(méi)有發(fā)生變化，但是實(shí)際上卻變化了。
ABA問(wèn)題的解決思路就是使用版本號。在變量前面追加上版本號，每次變量更新的時(shí)候把版本號加一，那么A－B－A 就會(huì )變成1A-2B－3A。
從Java1.5開(kāi)始JDK的atomic包里提供了一個(gè)類(lèi)AtomicStampedReference來(lái)解決ABA問(wèn)題。這個(gè)類(lèi)在內部不僅維護了對象值，還維護了一個(gè)時(shí)間戳（可以是任意的一個(gè)整數來(lái)表示狀態(tài)值）。當設置對象值時(shí)，對象值和狀態(tài)值都必須滿(mǎn)足期望值才會(huì )寫(xiě)入成功。因此即使對象被反復讀寫(xiě)，寫(xiě)會(huì )原值，只要狀態(tài)值發(fā)生變化，就能防止不恰當的寫(xiě)入?！ ?/p>
/**
* @param expectedReference 期望值
* @param newReference 寫(xiě)入新值
* @param expectedStamp 期望狀態(tài)值
* @param newStamp 新?tīng)顟B(tài)值
* @return true if successful
*/
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))); }
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