java CAS原理

    
CAS全称是Compare and Swap,即比较并交换,是通过原子指令来实现多线程同步功能,将获取存储在内存地址的原值和指定的内存地址进行比较,只有当他们相等时,交换指定的预期值和内存中的值,这个操作是原子操作,若不相等,则重新获取存储在内存地址的原值。

2. CAS的流程

     CAS是一种无算法,有3个关键操作数,内存地址,旧的内存中预期值,要更新的新值,当内存值和旧的内存中预期值相等时,将内存中的值更新为新值。

3.乐观锁与悲观锁

    
CAS属于乐观锁,乐观锁就是每次不加锁而是假设没有冲突而去完成某项操作,如果因为冲突失败就重试,直到成功为止。

     synchronized是悲观锁,被一个线程拿到锁之后,其他线程必须等待该线程释放锁,性能较差

二、AtomicInteger代码演示

    
java中,a++不是原子操作,一个简单的a++操作涉及到三个操作,获取变量a的内存值,将变量a+1,将新值写入内存,这里涉及到了两次内存访问,如果在多线程环境下,那么会出现并发安全问题。

    
AtomicInteger是一个原子操作类,内部采用的就是CAS无锁算法。
这里我们分析一下它的内部实现。

AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);
atomicInteger.getAndSet(1);  
复制代码

    
这里的静态代码块AtomicInteger对象初始化之前就执行,获取AtomicInteger对象value字段相对AtomicInteger对象的”起始地址”的偏移量,Java对象在内存中存储的布局可以分为三块区域:对象头(Header)、实例数据(Instance Data)和对齐填充(Padding),”起始地址”的偏移量即是对象头的偏移量。

static {
    try {
        valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
            (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
    } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}
复制代码
public final int getAndSet(int newValue) {
    return unsafe.getAndSetInt(this, valueOffset, newValue);
}
复制代码

    
每次通过内存地址(var2)先从内存中获取内存中原值(var5),再循环将内存中的原值(var5)与给定内存地址(var2)相比较,如果相等则更新指定预期值(var4),如果不相等则再重试直到成功为止,最后返回旧的内存原值var5。

//var1为AtomicInteger对象,var2为内存地址值,var4为指定的预期值
public final int getAndSetInt(Object var1, long var2, int var4) {
    int var5;
    do {
	//unsafe.getIntVolatile调用本地方法获取内存中值
        var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
    } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var4));

    return var5;
}
复制代码

三、弊端

1. ABA问题

    
CAS在操作的时候会检查变量的值是否被更改过,如果没有则更新值,但是带来一个问题,最开始的值是A,接着变成B,最后又变成了A。经过检查这个值确实没有修改过,因为最后的值还是A,但是实际上这个值确实已经被修改过了。为了解决这个问题,在每次进行操作的时候加上一个版本号,每次操作的就是两个值,一个版本号和某个值,A——>B——>A问题就变成了1A——>2B——>3A。在jdk中提供了AtomicStampedReference类解决ABA问题,用Pair这个内部类实现,包含两个属性,分别代表版本号和引用,在compareAndSet中先对当前引用进行检查,再对版本号标志进行检查,只有全部相等才更新值。

2. 只能保证一个共享变量的原子操作

    
多个共享变量操作时,循环CAS就无法保证操作的原子性,这个时候就可以用锁。从java1.5开始,JDK提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性,就可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作。

3. 循环时间长CPU开销较大

    
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带来很大的压力

作者:陶章好

链接: juejin.im/post/5d63ea…
来源:掘金

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原文 

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