问题提出

有如下需求，保证 account.withdraw 取款方法的线程安全

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
interface Account {
    // 获取余额
    Integer getBalance();
    // 取款
    void withdraw(Integer amount);
    /**
     * 方法内会启动 1000 个线程，每个线程做 -10 元 的操作
     * 如果初始余额为 10000 那么正确的结果应当是 0
     */
    static void demo(Account account) {
        List<Thread> ts = new ArrayList<>();
        long start = System.nanoTime();
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            ts.add(new Thread(() -> {
                account.withdraw(10);
            }));
        }
        ts.forEach(Thread::start);
        ts.forEach(t -> {
            try {
                t.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
        long end = System.nanoTime();
        System.out.println(account.getBalance()
                + " cost: " + (end-start)/1000_000 + " ms");
    }
}

原有实现并不是线程安全的

class AccountUnsafe implements Account {
    private Integer balance;
    public AccountUnsafe(Integer balance) {
        this.balance = balance;
    }
    @Override
    public Integer getBalance() {
        return balance;
    }
    @Override
    public void withdraw(Integer amount) {
        balance -= amount;
    }
}

执行测试代码

public static void main(String[] args) {
        Account.demo(new AccountUnsafe(10000));
    }

某次的执行结果

330 cost: 306 ms

为什么不安全

withdraw 方法

public void withdraw(Integer amount) {
  balance -= amount;
}

原因是因为会出现指令交错的情况，因为正常的逻辑，比如一个i–的操作会分为四步，1.先获取值、2.获取要减的数、3.相减、4.写回。正常来说，如果所有的都按照这个顺序来执行的话不可能出现线程安全的问题，但是实际上不是这样的，多线程的时候，或许可以保证有序性，但是没办法保证指令交错，所以导致可能的顺序是 11234234，这样就会出现线程不安全的情况拉。

解决思路-锁

首先想到的是给 Account 对象加锁（但是太笨重了）

class AccountUnsafe implements Account {
    private Integer balance;
    public AccountUnsafe(Integer balance) {
        this.balance = balance;
    }
    @Override
    public synchronized Integer getBalance() {
        return balance;
    }
    @Override
    public synchronized void withdraw(Integer amount) {
        balance -= amount;
    }
}

结果为

0 cost: 399 ms

解决思路-无锁

class AccountSafe implements Account {
    private AtomicInteger balance;
    public AccountSafe(Integer balance) {
        this.balance = new AtomicInteger(balance);
    }
    @Override
    public Integer getBalance() {
        return balance.get();
    }
    @Override
    public void withdraw(Integer amount) {
        while (true) {
            int prev = balance.get();// 获取余额的最新值
            int next = prev - amount;// 要修改的余额
            if (balance.compareAndSet(prev, next)) { // 真正修改，如果成功，结束循环，如果失败，继续循环
                break;
            }
        }
        // 可以简化为下面的方法
        // balance.addAndGet(-1 * amount);
    }
}

执行测试代码

public static void main(String[] args) {
     Account.demo(new AccountSafe(10000));
}

某次的执行结果

0 cost: 302 ms

是否真的无锁呢？

我们通过 Java 中的 AtomicInteger类中的 getAndIncrement()来看下 CAS 底层是怎么实现的。

  public final int getAndIncrement() {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
    }

可以看到它是调用的Unsafe类的getAndAddInt方法

public final int getAndAddInt(Object obj, long offset, int delta) {
    int value;
    do {
        value= this.getIntVolatile(obj, offset);
    } while(!this.compareAndSwapInt(obj, offset, value, value + delta));
    return v;
}

可以看到该方法内部是先获取到该对象的偏移量对应的值(value)，然后调用 compareAndSwapInt 方法通过对比来修改该值，如果这个值和value一样，说明此过程中间没有

人修改该数据，此时可以将该地址的值改为 value+delta, 返回true,结束循环。否则，说明有人修改该地址处的值，返回false，继续下一次循环。

那么是怎么保证 compareAndSwapInt(CAS)的原子性呢？这个就由操作系统底层来提供了。

其实 CAS 的底层是 lock cmpxchg 指令（X86 架构），在单核 CPU 和多核 CPU 下都能够保证【比较-交换】的原子性。

在多核状态下，某个核执行到带 lock 的指令时，CPU 会让总线锁住，当这个核把此指令执行完毕，再开启总线。这个过程中不会被线程的调度机制所打断，保证了多个线程对内存操作的准确性，是原子的。

CAS 与 volatile

前面看到的 AtomicInteger 的解决方法，内部并没有用锁来保护共享变量的线程安全。那么它是如何实现的呢？

public void withdraw(Integer amount) {
            // 需要不断尝试，直到成功为止
            while (true) {
                // 比如拿到了旧值 1000
                int prev = balance.get();
                // 在这个基础上 1000-10 = 990
                int next = prev - amount;
 /*
 compareAndSet 正是做这个检查，在 set 前，先比较 prev 与当前值
 - 不一致了，next 作废，返回 false 表示失败
 比如，别的线程已经做了减法，当前值已经被减成了 990
 那么本线程的这次 990 就作废了，进入 while 下次循环重试
 - 一致，以 next 设置为新值，返回 true 表示成功
 */
                if (balance.compareAndSet(prev, next)) {
                    break;
                }
            }
    }

其中的关键是 compareAndSet，它的简称就是 CAS （也有 Compare And Swap 的说法），它必须是原子操作。

其中，左侧的两个cas操作都失败了。

慢动作分析

@Slf4j
public class SlowMotion {
    public static void main(String[] args) {
        AtomicInteger balance = new AtomicInteger(10000);
        int mainPrev = balance.get();
        log.debug("try get {}", mainPrev);
        new Thread(() -> {
            sleep(1000);
            int prev = balance.get();
            balance.compareAndSet(prev, 9000);
            log.debug(balance.toString());
        }, "t1").start();
        sleep(2000);
        log.debug("try set 8000...");
        boolean isSuccess = balance.compareAndSet(mainPrev, 8000);
        log.debug("is success ? {}", isSuccess);
        if(!isSuccess){
            mainPrev = balance.get();
            log.debug("try set 8000...");
            isSuccess = balance.compareAndSet(mainPrev, 8000);
            log.debug("is success ? {}", isSuccess);
        }
    }
    private static void sleep(int millis) {
        try {
            Thread.sleep(millis);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

输出结果

2023-10-13 11:28:37.134 [main] try get 10000 
2023-10-13 11:28:38.154 [t1] 9000 
2023-10-13 11:28:39.154 [main] try set 8000... 
2023-10-13 11:28:39.154 [main] is success ? false 
2023-10-13 11:28:39.154 [main] try set 8000... 
2023-10-13 11:28:39.154 [main] is success ? true

volatile

AtomicInteger 源码里面应用到了 volatile

获取共享变量时，为了保证该变量的可见性，需要使用 volatile 修饰。

它可以用来修饰成员变量和静态成员变量，他可以避免线程从自己的工作缓存中查找变量的值，必须到主存中获取它的值，线程操作 volatile 变量都是直接操作主存。即一个线程对 volatile 变量的修改，对另一个线程可见。

注意：

volatile 仅仅保证了共享变量的可见性，让其它线程能够看到最新值，但不能解决指令交错问题（不能保证原子性）

CAS 必须借助 volatile 才能读取到共享变量的最新值来实现【比较并交换】的效果

为什么无锁效率高

无锁情况下，即使重试失败，线程始终在高速运行，没有停歇，而 synchronized 会让线程在没有获得锁的时候，发生上下文切换，进入阻塞。打个比喻

线程就好像高速跑道上的赛车，高速运行时，速度超快，一旦发生上下文切换，就好比赛车要减速、熄火，等被唤醒又得重新打火、启动、加速… 恢复到高速运行，代价比较大。（cas 不会让线程停下来，while(true) 不停的循环）

但无锁情况下，因为线程要保持运行，需要额外 CPU 的支持，CPU 在这里就好比高速跑道，没有额外的跑道，线程想高速运行也无从谈起，虽然不会进入阻塞，但由于没有分到时间片，仍然会进入可运行状态，还是会导致上下文切换。（在多核cpu下能发挥出优势，虽然没有陷入block阻塞，但是没有分到时间片，还是要上下文切换）

CAS 的特点

结合 CAS 和 volatile 可以实现无锁并发，适用于线程数少、多核 CPU 的场景下。

CAS 是基于乐观锁的思想：最乐观的估计，不怕别的线程来修改共享变量，就算改了也没关系，我吃亏点再重试呗。
synchronized 是基于悲观锁的思想：最悲观的估计，得防着其它线程来修改共享变量，我上了锁你们都别想改，我改完了解开锁，你们才有机会。
CAS 体现的是无锁并发、无阻塞并发，请仔细体会这两句话的意思，因为没有使用 synchronized，所以线程不会陷入阻塞，这是效率提升的因素之一、但如果竞争激烈，可以想到重试必然频繁发生，反而效率会受影响

原子整数

J.U.C 并发包提供了：

AtomicBoolean
AtomicInteger
AtomicLong

以 AtomicInteger 为例

AtomicInteger i = new AtomicInteger(0);
// 获取并自增（i = 0, 结果 i = 1, 返回 0），类似于 i++
System.out.println(i.getAndIncrement());
// 自增并获取（i = 1, 结果 i = 2, 返回 2），类似于 ++i
System.out.println(i.incrementAndGet());
// 自减并获取（i = 2, 结果 i = 1, 返回 1），类似于 --i
System.out.println(i.decrementAndGet());
// 获取并自减（i = 1, 结果 i = 0, 返回 1），类似于 i--
System.out.println(i.getAndDecrement());
// 获取并加值（i = 0, 结果 i = 5, 返回 0）
System.out.println(i.getAndAdd(5));
// 加值并获取（i = 5, 结果 i = 0, 返回 0）
System.out.println(i.addAndGet(-5));

以getAndIncrement 源码为例

具体来说，这个方法会先读取对象var1上偏移量为var2的整数值，然后将其与给定的var4相加，在尝试使用CAS（Compare And Swap）操作将它们的和写回到这个偏移量上存储的值中。如果CAS操作成功，那么方法返回更新前的偏移量上存储的值，否则就重复执行这个过程，直到CAS操作成功为止。

// 获取并更新（i = 0, p 为 i 的当前值, 结果 i = -2, 返回 0）
// 其中函数中的操作能保证原子，但函数需要无副作用
System.out.println(i.getAndUpdate(p -> p - 2));
// 更新并获取（i = -2, p 为 i 的当前值, 结果 i = 0, 返回 0）
// 其中函数中的操作能保证原子，但函数需要无副作用
System.out.println(i.updateAndGet(p -> p + 2));

剑指JUC原理-9.Java无锁模型（下）:https://developer.aliyun.com/article/1413636

剑指JUC原理-9.Java无锁模型（上）

问题提出

为什么不安全

解决思路-锁

解决思路-无锁

是否真的无锁呢？

CAS 与 volatile

慢动作分析

volatile

为什么无锁效率高

CAS 的特点

原子整数

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