java并发编程之CAS

举例:

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<>();
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            ts.add(new Thread(() -> {
                account.withdraw(10);
            }));
        }
        long start = System.nanoTime();
        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");
    }
}

第一种实现类：乐观锁思想CAS

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

class AccountCas implements Account {
    private AtomicInteger balance;

    public AccountCas(int balance) {
        this.balance = new AtomicInteger(balance);
    }

    @Override
    public Integer getBalance() {
        return balance.get();
    }

    @Override
    public void withdraw(Integer amount) {
        while (true) {
            // 获取余额的最新值
            int prev = balance.get();
            // 要修改的余额
            int next = prev - amount;
            // 真正修改
            if (balance.compareAndSet(prev, next)) {
                break;
            }
        }
    }
}


/*




 */

第二种实现类：synchronized悲观锁思想：

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

两种实现类的比较：

public class AccountTest {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.print("synchronized锁所用的时间： ");
        Account account2 = new AccountSync(10000);
        Account.demo(account2);
        System.out.print("CAS所用的时间： ");
        Account account = new AccountCas(10000);
        Account.demo(account);


    }
}

测试：

 

为什么CAS比synchronizede快呢？

因为：

 

CAS的工作方式：

 

其中的关键是compareAndSet，它的简称就是CAS (也有 Compare And Swap的说法)。

 

注意

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的关系

      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。

     volatile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，让其他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。

为什么无锁状态高：

• 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。
• 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。

 

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。I

• 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