java CAS

2024-01-08 14:15:49
CAS
  • 在高并发场景,可以使用加锁 或者CAS来保证原子性,但是加锁是很重量级的操作,CAS类似于乐观锁
  • CAS ( Compare and swap )比较并交换,是实现并发算法时常用到的技术,包含三个操作数:内存位置、预期原值、更新值
  • 执行CAS操作的时候,将内存位置中的值与预期原值比较
    • 如果匹配,会将该位置的值更新为新值,
    • 如果不匹配就不会做任何操作,或者重试,这种重试被称为自旋,多个线程同时执行CAS操作,只有一个会成功
  • CAS 是JDK提供的非阻塞原子操作,通过硬件保证了比较-更新的原子性
  • CAS 是一种系统原语,原语属于操作系统用于范畴,由若干条指令组成,用于完成某个功能,原语的执行必须是连续的,在执行过程中不允许被中断,所以说CAS是一条CPU的原子指令,不会造成数据不一致的问题
  • JDK提供的CAS机制,在汇编层级会禁止变量两侧的指令优化,然后使用 cmpxchg(比较并交换) 指令比较并更新变量值
  • 执行 cmpxchg 指令的时候,会判断当前系统是否为多核系统,
    • 如果是就给总线加锁,只有一个线程可以对总线加锁成功,加锁成功后执行CAS操作
    • 所以CAS的原子性实际上是CPU实现独占的,比起synchronized,CAS的排他时间要短很多,多线程情况下性能会更好
Unsafe类:
  • Unsafe类是CAS的核心类,由于java无法直接访问底层,需要通过本地的 native 方法来访问,
  • Unsafe想当与一个后门,基于该类可以直接操作特定内存的数据,内部的操作可以向C的指针一样直接操作内存,该类的方法基本都是native的,可以直接调用操作系统底层资源执行任务
  • 但是实际工作中不要自己去使用 Unsafe类,容易导致内存混乱
  • 如下,三个类似的方法,以第一个为例,参数分别为:
    • var1 是操作的对象
    • var2 是操作对象中属性地址的偏移量
    • var4 期望的值
    • var5 要修改的新值
  • 核心思想就是比较内存中的值与预期原值进行比较,相等就更新为新值,例如:
    • A、B两个线程都想要变更共享变量的值,各自都先读到主内存中的原值
    • A执行较快,先完成计算,写回时判断主内存中的值和原值一样,就把计算得到的新值写回
    • 这时B也执行完了,写回时判断主内存中的值和原值不一样,就放弃本次操作,这里可以加上自旋让B重新执行一次,这样在多线程情况下,两次计算结果就都不会丢失了

在这里插入图片描述

CAS自旋锁
  • CAS利用CPU的指令保证了操作的原子性,达到锁的效果
  • 自旋锁也就是获取锁失败的线程不会立即阻塞,而是采用循环的方式去尝试获取锁,直到成功获取锁,或者超时,放在CAS就是执行一个CAS操作,不断的去执行CAS操作,直到CAS操作被成功执行
  • 这样的好处是减少了线程上下文的切换,缺点是循环会消耗CPU

示例:不通过 synchronized 和 lock ,就实现了锁的功能,自己实现自旋锁

public class Caslock {
    
    //是否加锁,初始值为 false,也就是未加锁
    private AtomicBoolean atomicBoolean =new AtomicBoolean(false);
    
    public void lock(){
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+",尝试加锁");
        //原子布尔的值是否是false,是就加锁,把值改为true,不是就释放锁
        while (!atomicBoolean.compareAndSet(false,true)){
            //不是false,加锁失败,由其他线程先加了锁,这里就需要等待
            try {
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+",加锁成功");
    }
    public void unLock(){
        //解锁,把值设为 false
        atomicBoolean.compareAndSet(true,false);
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+",释放锁");
    }
}


    private static void testCasLock() throws Exception{
        Caslock caslock = new Caslock();
        new Thread(()->{
            caslock.lock();
            try {
                Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
            caslock.unLock();
        },"线程A").start();

        Thread.sleep(500);
        new Thread(()->{
            caslock.lock();
            caslock.unLock();
        },"线程B").start();
    }


CAS的缺点

  • 循环时间太长的话,开销会很大

  • ABA问题

    • 例如A、B 两个线程,都拿到相同的初始值,A把值加1后写回,然后减1后又写回
    • 此时B才执行完,尽管线程B的CAS操作成功,但是这样丢失了A的两次操作,所以仅仅只比较内容,是线程不安全的

想要解决ABA问题,需要加上版本号或者时间戳

  • AtomicStampedReference:流水号的戳记引用

文章来源:https://blog.csdn.net/persistence_PSH/article/details/135441707
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