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JAVA教程之CAS原理流程图

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CAS的概念

CAS的全称为:CompareAndSet,直译为对比和设置。

CAS实际是普遍处理器都支持的一条指令,这条指令通过判断当前内存值V、旧的预期值A、即将更新的值B是否相等来对比并设置新值,从而实现变量的原子性

通过前面文章:线程的三特性,可以通过Synchronized来实现原子性,但是Synchronized在执行为重量级锁时就会进行线程阻塞,如果在很多线程的情况下,就会造成资源成本的增加。而CAS的出现就是让线程不阻塞,通过一直自旋的方式进行等待。

Synchronized会线程阻塞称为悲观锁,CAS不会使线程阻塞称为乐观锁。悲观锁其他没有获取锁的线程是不会执行代码的,而乐观锁是可以使多个线程同时访问代码,可是会判断是否有更新决定是否重新执行。

CAS的实现原理

CAS的原理:通过三个参数,当前内存的变量值V、旧的预期值A、即将更新的值B。通过判断是V和A是否相等查看当前变量值是否被其他线程改变,如果相等则变量没有被其他线程更改,就把B值赋予V;如果不相等则做自旋操作。

举例:假设i的初始值为0,现两线程分别执行i++操作,看看CAS会如何执行:

1线程:A = 0,B = 1 2线程:A = 0,B = 1

此时两个线程的旧的期望值A、更新的B值都是一样的 假设1线程先执行,线程1从内存中拿到i的值V,此时V等于0,刚好和旧的期望值A相等,就把更新的值B赋值到内存i值V中。2线程执行时,此时拿到内存的V值为1,和旧的预期值0不想等,则不做更新B的赋值操作,通过自旋把旧的预期值A=V,并再次确定CAS指令。

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CAS原理流程图

JDK提供的原子操作类就是基于CAS来实现原子性,比如:AtomicInteger、AtomicIntegerArray、AtomicDouble、AtomicBoolean等

那么就查看AtomicInteger的相关代码,看看它是如何实现i++这个操作的。

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
  private static final long serialVersionUID = 6214790243416807050L;

  private static final sun.misc.Unsafe U = sun.misc.Unsafe.getUnsafe();
  private static final long VALUE;

  static {
      try {
          VALUE = U.objectFieldOffset
              (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
      } catch (ReflectiveOperationException e) {
          throw new Error(e);
      }
  }

  private volatile int value;

  // 相当于i++操作
  public final int getAndIncrement() {
      return U.getAndAddInt(this, VALUE, 1);
  }

这里用到了sun.misc.Unsafe这个类,这个类的作用是进行自旋操作和调用本地CAS方法。value用来存储变量;VALUE是value变量在内存中的偏移量valueOffset。在getAndIncrement()方法相当于执行保证原子性的执行value++,这个方法调用了Unsafe.getAndAddInt(this, VALUE, 1),说明具体的实现在Unsafe这个类中。

public final class Unsafe {

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

  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));  //自旋

      return var5;
  }
}

getAndAddInt方法中,一共有三个方法参数,var1是AtomicInteger,var2是AtomicInteger的value值在内存偏移量,var4是要更新的增量值。

var5通过getIntVolatile(var1, var2)方法获取,是一个native方法,其目的是获取 var1 在 var2 偏移量的值。

通过while(!CAS())判断var1的value值和var5相等,则把var5 + var4赋值给value,并且CAS()返回true结束循环,反之通过自旋的方式继续操作。

CAS带来的问题

ABA问题

一个线程把变量从A->B再变成A,这时另一个线程执行CAS时会认为这个变量没有被修改过还是原来的A,这就是造成了ABA问题。

针对ABA的问题,JDK也提供了AtomicStampedReference、AtomicMarkableReference通过版本号、标记符来解决ABA问题:AtomicStampedReference通过内置静态类Pair来标记版本号


  private static class Pair<T> {
      final T reference;
      final int stamp;

      private Pair(T var1, int var2) {
          this.reference = var1;
          this.stamp = var2;
      }

      static <T> AtomicStampedReference.Pair<T> of(T var0, int var1) {
          return new AtomicStampedReference.Pair(var0, var1);
      }
  }

reference为原子操作的变量,stamp记录版本号。在更改变量后要随之更改版本号,这样就可以确定ABA的问题是否被更改过,AtomicMarkableReference则是同理用boolean来标记。AtomicStampedReference的常用方法:

//构造方法, 传入引用和戳
public AtomicStampedReference(V initialRef, int initialStamp)
//返回引用
public V getReference()
//返回版本戳
public int getStamp()
//如果当前引用 等于 预期值并且 当前版本戳等于预期版本戳, 将更新新的引用和新的版本戳到内存
public boolean compareAndSet(V   expectedReference,
                               V   newReference,
                               int expectedStamp,
                               int newStamp)
//如果当前引用 等于 预期引用, 将更新新的版本戳到内存
public boolean attemptStamp(V expectedReference, int newStamp)
//设置当前引用的新引用和版本戳
public void set(V newReference, int newStamp) 

自旋问题

就是如果有很多线程,cas()方法的while循环会一直执行,如果长时间的执行就会造成资源的浪费。

总结

在解决线程的原子性上,如果你是对代码块进行同步操作,那么可以使用Synchronized进行同步操作,如果仅仅是对一个变量的原子操作,那么就可以使用如:AtomicInteger等实现过CAS的原子变量。CAS通过内存值、期待值、新值来判断变量是否被其他线程更改。更新失败的线程通过自旋操作,直到更新完成为止。CAS也由此带来了两个问题一个是ABA问题、一个是自旋时间问题。

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