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Java并发之CAS (Compare and Swap)

程序员文章站 2022-03-08 20:10:39
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CAS(Compare and Swap)比较并替换,CAS是实现乐观锁的一个重要操作。

  • CAS 是一个硬件指令,保证是原子操作。
  • Java 中通过 UnSafe 来实现。
  • 原子类: AtomicBoolean,AtomicInteger,AtomicLong  等使用 CAS 实现。

1.  概述

CAS 的基本步骤:执行函数 CAS(V,E,N),如果V值等于E值,则将V的值设为N。若V值和E值不同,则说明已经有其他线程做了更新,则当前线程什么都不做。

  • V表示要更新的变量
  • E表示预期值
  • N表示新值

Java 中 Unsafe 类提供 CAS 操作,CAS操作是本地方法(native),而且是不可改变(final)的:

下面三个方法的意思是:如果当前数值是 var4,则将 Java变量更新为 var5 或 var6 。var2 是Java变量在var1的中偏移量,用过偏移量获取Java变量的值。

    public final native boolean compareAndSwapObject(Object var1, long var2, Object var4, Object var5);

    public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);

    public final native boolean compareAndSwapLong(Object var1, long var2, long var4, long var6);

2. 原子类的实现

原子类提供了一个性能高效、更加安全和用法,简单的变量操作。这里以AtomicInteger为例。

atomicInteger.getAndIncrement() , 当前值以原子的方式+1,但是返回+1之前的值,现在我们去探究一下该方法是如何实现的。

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

==》unsafe 就是上面提到的 Unsafe类的一个实例对象。

private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();

 ==》unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1):

 var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);  即 var5 为当前变量的值。

var5 和当前变量相等则 将 v5+v4 赋给当前变量,并返回 v5,即未+1之前的值。

    public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
        int var5;
        do {
            var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
        } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));

        return var5;
    }

==》this.getIntVolatile(var1, var2),获得对象var1,内存中偏移量为var2的成员变量值。

public native int getIntVolatile(Object var1, long var2);

3. 原子类的其他操作

Java并发之CAS (Compare and Swap)

运行截图:

Java并发之CAS (Compare and Swap)

3. 原子类实现一个自旋锁

 原子类实现一个自旋锁代码如下所示:

public class SpinLock {
	private AtomicReference<Thread> owner =new AtomicReference<>();
	public void lock(){
		Thread current = Thread.currentThread();
		while(!owner.compareAndSet(null, current)){
		}
	}
	public void unlock (){
		Thread current = Thread.currentThread();
		owner.compareAndSet(current, null);
	}
}

4. CAS 的缺点

4.1 CPU开销较大

在并发量比较高的情况下,多个线程反复尝试更新某一个变量,却又一直更新不成功,一直进行循环和尝试,会给CPU带来很大的压力。

4.2 ABA问题

你想要值A,如果在这段期间它的值曾经被改成了B,后来又被改回为A,那CAS操作就会误认为它从来没有被改变过。这个漏洞称为CAS操作的“ABA”问题。

Java并发包为了解决这个问题,提供了一个带有标记的原子引用类“AtomicStampedReference”,它可以通过控制变量值的版本来保证CAS的正确性。因此,在使用CAS前要考虑清楚“ABA”问题是否会影响程序并发的正确性,如果需要解决ABA问题,改用传统的互斥同步可能会比原子类更高效。

参考文献: