学习非阻塞的同步机制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。

以上就是本文的全部内容，希望对大家的学习有所帮助，也希望大家多多支持。