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无锁的同步策略——CAS操作详解

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  • 2019-05-22
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简介1.从乐观锁和悲观锁谈起乐观锁和悲观锁是两种不同的解决并发问题的策略。悲观锁策略假定任何一次并发都会发生冲突,所以总是采用最严格的方式来进行并发控制。java中的独占锁(synchr

1. 从乐观锁和悲观锁谈起

乐观锁和悲观锁是两种不同的解决并发问题的策略。悲观锁策略假定任何一次并发都会发生冲突,所以总是采用最严格的方式来进行并发控制。java中的独占锁(synchronized和重入锁)就是典型悲观锁实现,它只允许线程互斥的访问临界区,也就是阻塞式的同步方式。而乐观锁策略假定大部分情况下并发冲突不会发生,采用的是一种更为宽松的方式来进行并发控制。比如我们马上就要讲的CAS操作。它允许多线程非阻塞式地对共享资源进行修改,但同一时刻只有一个线程能够成功,其他线程被告知失败但并不会挂起,而是重新尝试。这是一种非阻塞式的同步方式。

2. CAS详解

Java中的CAS操作依赖于底层CPU的CAS指令。

2.1 CAS指令

CAS,即Compare-and-Swap(比较和交换),从语义上它需要两次操作,但只需要一条cpu指令就能完成,因而该操作具有原子性,像原子一样不可分割,要么成功,要么失败。CAS指令需要3个操作数,分别是V:变量的内存地址,A(预期值),B(更新值)。CAS指令执行时,只有当预期值A和V的值一样时才进行更新,否则更新失败。

2.3 Java中的CAS指令

java中给我们提供了本地方法来获得和CAS指令一样的执行效果。比如Unsafe类中

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);

因为这些方法会被编译成平台相关的CAS指令,故而这些CAS操作都具有原子性。遗憾的是,这些CAS操作我们无法直接使用,因为只有Bootstrap ClassLoader加载的Class才能访问它。然而在JDK并发包的底层实现中,还是可以处处看到它的身影。如下图所示

2.4 CAS结合失败重试机制进行并发控制

CAS指令只是提供了一个更新变量的原子操作,要使用它进行并发控制,还需要结合失败重试机制。以AtomicInteger为例,对它进行累加操作是线程安全的,而普通的整型变量在多线程环境下执行类似i++的操作线程不安全。为什么?因为i++并非是一个原子操作,而AtomicInteger类的getAndIncrement底层的CAS操作是原子性的,故而能保证线程安全。下面是它的源码(基于JDK8)

/** * Atomically increments by one the current value. * * @return the updated value */public final int incrementAndGet() { return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;}

进入方法Unsafe类的getAndAddInt方法,

public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) { int var5; do { var5 = this.getIntVolatile(var1, var2); //获得变量当前的值 } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4)); //CAS失败则重新尝试直到成功为止 return var5;}

可以看到步骤可以概括为

1.获得变量当前的值var52.使用CAS操作进行更新:若var5与当前的值不一样,说明1,2操作间有其他线程作了修改,此次更新失败,重新实行步骤1;否则用 var5+var4的值进行更新,并返回更新前的值。多个线程同时使用CAS指令去更新变量,失败的线程将会不断重新尝试,直到更新成功。

3. CAS操作的优势和劣势

3.1 CAS相比独占锁的优势

没有线程阻塞唤醒带来的性能消耗问题。

3.2 CAS的缺点

ABA问题。在CAS操作时,我们以变量的当前值和预期值一致来判定变量未被其他线程修改,这样是不用严谨的,因为变量可能被修改成其他值后又被改了回来,大部分时候这是个可以忽略的小问题,如果要规避这个问题,可以使用AtomicStampedReference,它会额外使用一个时间戳来判断变量是否被修改过。无法直接使用CAS来进行并发控制,相比同步锁的方式适用范围较窄。

4. 总结

CAS是CPU的一条指令,用来对变量进行原子更新。java中使用CAS技术结合失败重试机制,可以非阻塞的实现多线程对共享资源的并发修改,很多时候具有比独占锁更好的性能。

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