JDK高性能套路: 自旋(for(;;)) + CAS

最近在阅读 JDK8 并发包中的一些源码，发现很多有趣规律，其中一条就是自旋+CAS实现无锁并发控制。

自旋(for(;;)) + CAS = 自旋锁。for(;;) 也可以换成 while(true) 等形式。

一、自旋(for(;;)) + CAS 实现无锁并发控制

什么是自旋?

自旋是指一个线程在某个条件不满足时，不放弃CPU控制权，而是在该条件下不断循环检查，直到条件满足。

使用自旋循环而不是阻塞线程，可以减少线程上下文切换的开销，特别是在等待时间非常短的情况下，自旋可以提供更好的性能。

自旋和 + CAS(compareAndSwap) 。非常经典的套路。 ConcurrentHashMap 、AQS 源码，都是相同的分支走向，骨架几乎一致。

案例说明

案例：ConcurrentHashMap#initTable()

这是初始化数组的核心方法。

初始化数组方法，但只能进行一次，只有在 CAS 成功后才能完成初始化； CAS成功则类似获得锁，获得操作权限。
由于是并发，存在多个线程进入 initTable 方法，所以 CAS 可能会失败，因此通过 while()、for 等多次循环保证可以完成初始化，同时又妥善处理了其他进入方法的线程。

相关代码如下：

举个例子: 模拟ABC三个线程，只有 CAS 成功才能初始化 Table，否则自旋，直到满足条件退出。 通过 CAS 实现了并发控制。

上面的代码逻辑，是非常标准的套路。

AQS 中非公平锁在获取独占锁的关键代码也采用了这个套路。具体位置如下：

java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer#acquireQueued

涉及到多线程并发获取锁的情况，都可以考虑采用 CAS 来完成。

CAS 的代码套路

CAS操作主要通过sun.misc.Unsafe类提供的native本地方法实现，JDK底层通过C++函数"Unsafe_CompareAndSetInt"来实现这些方法。在操作系统层面，CAS操作通常由硬件指令实现，比如x86架构下的cmpxchg指令，保证了原子性

CAS 是借助 Unsafe 的能力，实现 CAS 能力，通常代码套路如下：

定义 sun.misc.Unsafe 变量，通过 static 初始化
定义一个 long 类型的控制变量，使用 Unsafe 工具方法获得其在 ConcurrentHash 的类的偏移量 offSet
unsafe 使用这个偏移量 offSet 进行 CAS 操作

unsafe 支持 int、long、object，还是很全面的。

CompletableFuture、AbstractQueuedSynchronizer(AQS)、AtomicXX 等，这些高性能的类都用到了这个套路。

注意事项：

CAS 存在 ABA 问题
长时间自旋可能消耗CPU、一定要控制退出条件

由于Unsafe类提供的方法绕过了 Java 的安全检查，因此它被标记为不推荐使用的内部 API，并且在未来的 Java 版本中可能会发生变化或被移除。但是我们可以使用它的一些工具类。

比如：AtomicInteger 来实现一些并发控制！下面是 AtomicInteger 的 compareAndSet 的方法：

Java 复制代码

/**
     * Atomically sets the value to the given updated value
     * if the current value {@code ==} the expected value.
     *
     * @param expect the expected value
     * @param update the new value
     * @return {@code true} if successful. False return indicates that
     * the actual value was not equal to the expected value.
     */
public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}

接下来以一个案例来说明 CAS 的并发控制！