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java并发编程——CAS

程序员文章站 2022-03-08 17:54:46
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1.  乐观锁

乐观锁（ Optimistic Locking）其实是一种思想。相对悲观锁而言，乐观锁假设认为数据一般情况下不会造成冲突，所以在数据进行提交更新的时候，才会正式对数据的冲突与否进行检测，如果发现冲突了，则让返回用户错误的信息，让用户决定如何去做。

上面提到的乐观锁的概念中其实已经阐述了他的具体实现细节：主要就是两个步骤：冲突检测和数据更新。其实现方式有一种比较典型的就是Compare and Swap(CAS)。

 

 

2.  CAS

      CAS是项乐观锁技术，当多个线程尝试使用CAS同时更新同一个变量时，只有其中一个线程能更新变量的值，而其它线程都失败，失败的线程并不会被挂起，而是被告知这次竞争中失败，并可以再次尝试。

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。无论哪种情况，它都会在 CAS 指令之前返回该位置的值。（在 CAS 的一些特殊情况下将仅返回 CAS 是否成功，而不提取当前值。）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。”这其实和乐观锁的冲突检查+数据更新的原理是一样的。

CAS比较与交换的伪代码可以表示为：

do{   
       备份旧数据；  
       基于旧数据构造新数据；  
}while(!CAS( 内存地址，备份的旧数据，新数据 ))  

容易看出 CAS 操作是基于共享数据不会被修改的假设，采用了类似于数据库的 commit-retry 的模式。当同步冲突出现的机会很少时，这种假设能带来较大的性能提升。

 

3. Java对CAS的支持

      在JDK1.5 中新增java.util.concurrent(J.U.C)就是建立在CAS之上的。相对于对于synchronized这种阻塞算法，CAS是非阻塞算法的一种常见实现。所以J.U.C在性能上有了很大的提升。

     我们以java.util.concurrent中的AtomicInteger为例，看一下在不使用锁的情况下是如何保证线程安全的。主要理解getAndIncrement方法，该方法的作用相当于 ++i 操作。

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {  

        private volatile int value;  

    public final int get() {  
        return value;  
    }  

    public final int getAndIncrement() {  
        for (;;) {  
            int current = get();  
            int next = current + 1;  
            if (compareAndSet(current, next))  
                return current;  
        }  
    }  

    public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {  
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);  
    }  
}

在没有锁的机制下需要字段value要借助volatile原语，保证线程间的数据是可见的。这样在获取变量的值的时候才能直接读取。然后来看看++i是怎么做到的。

getAndIncrement采用了CAS操作，每次从内存中读取数据然后将此数据和+1后的结果进行CAS操作，如果成功就返回结果，否则重试直到成功为止。而compareAndSet利用JNI来完成CPU指令的操作。

整体的过程就是这样子的，利用CPU的CAS指令，同时借助JNI来完成Java的非阻塞算法。其它原子操作都是利用类似的特性完成的。

 

 

4. CAS缺点

CAS虽然很高效的解决原子操作，但是CAS仍然存在三大问题。

1).  ABA问题:

因为CAS需要在操作值的时候检查下值有没有发生变化，如果没有发生变化则更新，但是如果一个值原来是A，变成了B，又变成了A，那么使用CAS进行检查时会发现它的值没有发生变化，但是实际上却变化了。ABA问题的解决思路就是使用版本号。在变量前面追加上版本号，每次变量更新的时候把版本号加一，那么A－B－A 就会变成1A-2B－3A。

从Java1.5开始JDK的atomic包里提供了一个类AtomicStampedReference来解决ABA问题。这个类的compareAndSet方法作用是首先检查当前引用是否等于预期引用，并且当前标志是否等于预期标志，如果全部相等，则以原子方式将该引用和该标志的值设置为给定的更新值。

关于ABA问题参考文档: http://blog.hesey.net/2011/09/resolve-aba-by-atomicstampedreference.html

 

2). 循环时间长开销大:

自旋CAS如果长时间不成功，会给CPU带来非常大的执行开销。如果JVM能支持处理器提供的pause指令那么效率会有一定的提升，pause指令有两个作用，第一它可以延迟流水线执行指令（de-pipeline）,使CPU不会消耗过多的执行资源，延迟的时间取决于具体实现的版本，在一些处理器上延迟时间是零。第二它可以避免在退出循环的时候因内存顺序冲突（memory order violation）而引起CPU流水线被清空（CPU pipeline flush），从而提高CPU的执行效率。

 

3). 只能保证一个共享变量的原子操作:

当对一个共享变量执行操作时，我们可以使用循环CAS的方式来保证原子操作，但是对多个共享变量操作时，循环CAS就无法保证操作的原子性，这个时候就可以用锁，或者有一个取巧的办法，就是把多个共享变量合并成一个共享变量来操作。比如有两个共享变量i＝2,j=a，合并一下ij=2a，然后用CAS来操作ij。从Java1.5开始JDK提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性，你可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作。

 

 

5. Concurrent包的实现

 

由于java的CAS同时具有 volatile 读和volatile写的内存语义，因此Java线程之间的通信现在有了下面四种方式：

  1. A线程写volatile变量，随后B线程读这个volatile变量。
  2. A线程写volatile变量，随后B线程用CAS更新这个volatile变量。
  3. A线程用CAS更新一个volatile变量，随后B线程用CAS更新这个volatile变量。
  4. A线程用CAS更新一个volatile变量，随后B线程读这个volatile变量。

Java的CAS会使用现代处理器上提供的高效机器级别原子指令，这些原子指令以原子方式对内存执行读-改-写操作，这是在多处理器中实现同步的关键（从本质上来说，能够支持原子性读-改-写指令的计算机器，是顺序计算图灵机的异步等价机器，因此任何现代的多处理器都会去支持某种能对内存执行原子性读-改-写操作的原子指令）。同时，volatile变量的读/写和CAS可以实现线程之间的通信。把这些特性整合在一起，就形成了整个concurrent包得以实现的基石。如果我们仔细分析concurrent包的源代码实现，会发现一个通用化的实现模式：

  1. 首先，声明共享变量为volatile；
  2. 然后，使用CAS的原子条件更新来实现线程之间的同步；
  3. 同时，配合以volatile的读/写和CAS所具有的volatile读和写的内存语义来实现线程之间的通信。

AQS，非阻塞数据结构和原子变量类（java.util.concurrent.atomic包中的类），这些concurrent包中的基础类都是使用这种模式来实现的，而concurrent包中的高层类又是依赖于这些基础类来实现的。从整体来看，concurrent包的实现示意图如下：

java并发编程——CAS

 

 

6. CAS的开销

       前面说过了，CAS（比较并交换）是CPU指令级的操作，只有一步原子操作，所以非常快。而且CAS避免了请求操作系统来裁定锁的问题，不用麻烦操作系统，直接在CPU内部就搞定了。但CAS就没有开销了吗？不！有cache miss的情况。这个问题比较复杂，首先需要了解CPU的硬件体系结构：

java并发编程——CAS

上图可以看到一个8核CPU计算机系统，每个CPU有cache（CPU内部的高速缓存，寄存器），管芯内还带有一个互联模块，使管芯内的两个核可以互相通信。在图*的系统互联模块可以让四个管芯相互通信，并且将管芯与主存连接起来。数据以“缓存线”为单位在系统中传输，“缓存线”对应于内存中一个 2 的幂大小的字节块，大小通常为 32 到 256 字节之间。当 CPU 从内存中读取一个变量到它的寄存器中时，必须首先将包含了该变量的缓存线读取到 CPU 高速缓存。同样地，CPU 将寄存器中的一个值存储到内存时，不仅必须将包含了该值的缓存线读到 CPU 高速缓存，还必须确保没有其他 CPU 拥有该缓存线的拷贝。

比如，如果 CPU0 在对一个变量执行“比较并交换”（CAS）操作，而该变量所在的缓存线在 CPU7 的高速缓存中，就会发生以下经过简化的事件序列：

  • CPU0 检查本地高速缓存，没有找到缓存线。
  • 请求被转发到 CPU0 和 CPU1 的互联模块，检查 CPU1 的本地高速缓存，没有找到缓存线。
  • 请求被转发到系统互联模块，检查其他三个管芯，得知缓存线被 CPU6和 CPU7 所在的管芯持有。
  • 请求被转发到 CPU6 和 CPU7 的互联模块，检查这两个 CPU 的高速缓存，在 CPU7 的高速缓存中找到缓存线。
  • CPU7 将缓存线发送给所属的互联模块，并且刷新自己高速缓存中的缓存线。
  • CPU6 和 CPU7 的互联模块将缓存线发送给系统互联模块。
  • 系统互联模块将缓存线发送给 CPU0 和 CPU1 的互联模块。
  • CPU0 和 CPU1 的互联模块将缓存线发送给 CPU0 的高速缓存。
  • CPU0 现在可以对高速缓存中的变量执行 CAS 操作了

以上是刷新不同CPU缓存的开销。最好情况下的 CAS 操作消耗大概 40 纳秒，超过 60 个时钟周期。这里的“最好情况”是指对某一个变量执行 CAS 操作的 CPU 正好是最后一个操作该变量的CPU，所以对应的缓存线已经在 CPU 的高速缓存中了，类似地，最好情况下的锁操作（一个“round trip 对”包括获取锁和随后的释放锁）消耗超过 60 纳秒，超过 100 个时钟周期。这里的“最好情况”意味着用于表示锁的数据结构已经在获取和释放锁的 CPU 所属的高速缓存中了。锁操作比 CAS 操作更加耗时，是因深入理解并行编程 
为锁操作的数据结构中需要两个原子操作。缓存未命中消耗大概 140 纳秒，超过 200 个时钟周期。需要在存储新值时查询变量的旧值的 CAS 操作，消耗大概 300 纳秒，超过 500 个时钟周期。想想这个，在执行一次 CAS 操作的时间里，CPU 可以执行 500 条普通指令。这表明了细粒度锁的局限性。

以下是cache miss cas 和lock的性能对比：

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