CAS机制与自旋锁

Wesley13
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CAS(Compare-and-Swap),即比较并替换,java并发包中许多Atomic的类的底层原理都是CAS。

它的功能是判断内存中某个地址的值是否为预期值,如果是就改变成新值,整个过程具有原子性。

具体体现于sun.misc.Unsafe类中的native方法,调用这些native方法,JVM会帮我们实现汇编指令,这些指令是CPU的原子指令,因此具有原子性。

 1 public class CASDemo {
 2 
 3     public static void main(String[] args) {
 4 
 5         //初始值5
 6         AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(5);
 7 
 8         //和5比较,设置为10
 9         System.out.println("预期值:5,当前值:"+atomicInteger);
10         System.out.println("是否设置成功:"+atomicInteger.compareAndSet(5, 10));
11         //和5比较,设置为15
12         System.out.println("预期值:5,当前值:"+atomicInteger);
13         System.out.println("是否设置成功:"+atomicInteger.compareAndSet(5, 15));
14 
15         System.out.println("当前值:"+atomicInteger);
16     }
17 }

输出为:

预期值:5,当前值:5
是否设置成功:true
预期值:5,当前值:10
是否设置成功:false
当前值:10

下面看一下getAndAddInt在底层Unsafe类中的代码(自旋锁),运用到了CAS

//va1为对象,var2为地址值,var4是要增加的值,var5为当前地址中最新的值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;
    }

首先通过volatile的可见性,取出当前地址中的值,作为期望值。如果期望值与实际值不符,就一直循环获取期望值,直到set成功。

适用场景:

  1. CAS 适合简单对象的操作,比如布尔值、整型值等;

  2. CAS 适合冲突较少的情况,如果太多线程在同时自旋,那么长时间循环会导致 CPU 开销很大;

CAS的缺点:

  1. CPU开销过大 : 在并发量比较高的情况下,如果许多线程反复尝试更新某一个变量,却又一直更新不成功,循环往复,会给CPU带来很到的压力。

  2. 不能保证代码块的原子性:CAS机制所保证的知识一个变量的原子性操作,而不能保证整个代码块的原子性。比如需要保证3个变量共同进行原子性的更新,就不得不使用synchronized了。

  3.  ABA问题:如果内存地址V初次读取的值是A,在CAS等待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。

ABA问题以及解决:使用带版本号的原子引用AtomicStampedRefence,或者叫时间戳的原子引用,类似于乐观锁。

 0 // ABA问题及解决方式 1 public class ABADemo {
 2 
 3     private static AtomicReference<String> atomicReference = new AtomicReference<>("A");
 4     private static AtomicStampedReference<String> stampReference = new AtomicStampedReference<>("A",1);
 5 
 6     public static void main(String[] args){
 7         new Thread(()->{
 8             //获取到版本号
 9             int stamp = stampReference.getStamp();
10             System.out.println("t1获取到的版本号:"+stamp);
11             try {
12                 //暂停1秒,确保t1,t2版本号相同
13                 TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
14             } catch (InterruptedException e) {
15                 e.printStackTrace();
16             }
17             atomicReference.compareAndSet("A","B");
18             atomicReference.compareAndSet("B","A");
19 
20             stampReference.compareAndSet("A","B",stamp,stamp+1);
21             stampReference.compareAndSet("B","A",stamp+1,stamp+2);
22             System.out.println("t1线程ABA之后的版本号:"+stampReference.getStamp());
23 
24         },"t1").start();
25 
26         new Thread(()->{
27             //获取到版本号
28             int stamp = stampReference.getStamp();
29             System.out.println("t2获取到的版本号:"+stamp);
30             try {
31                 //暂停2秒,等待t1执行完成ABA
32                 TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
33             } catch (InterruptedException e) {
34                 e.printStackTrace();
35             }
36             System.out.print("普通原子类无法解决ABA问题: ");
37             System.out.println(atomicReference.compareAndSet("A","C")+"\t"+atomicReference.get());
38             System.out.print("版本号的原子类解决ABA问题: ");
39             System.out.println(stampReference.compareAndSet("A","C",stamp,stamp+1)+"\t"+stampReference.getReference());
40 
41         },"t2").start();
42     }
43 }

输出结果:普通原子引用类在另一个线程完成ABA之后继续修改(把A改成了C),带版本号原子引用有效的解决了这个问题。

t1获取到的版本号:1
t2获取到的版本号:1
t1线程ABA之后的版本号:3
普通原子类无法解决ABA问题: true    C
版本号的原子类解决ABA问题: false    A
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