多线程 | 03 | CAS机制
Compare and swap(CAS)
当前的处理器基本都支持CAS,只不过每个厂家所实现的算法并不一样罢了,每一个CAS操作过程都包含三个参数:一个内存地址V,一个期望的值A和一个新值B,操作的时候如果这个地址上存放的值等于这个期望的值A,则将地址上的值赋为新值B,否则不做任何操作。CAS的基本思路就是,如果这个地址上的值和期望的值相等,则给其赋予新值,否则不做任何事儿,但是要返回原值是多少。
我们先看一段代码:
启动两个线程,每个线程中让静态变量count循环累加100次。
最终输出的count结果一定是200吗?因为这段代码是非线程安全的,所以最终的自增结果很可能会小于200。我们再加上synchronized同步锁,再来看一下。
加了同步锁之后,count自增的操作变成了原子性操作,所以最终输出一定是count=200,代码实现了线程安全。虽然synchronized确保了线程安全,但是在某些情况下,这并不是一个最有的选择。
关键在于性能问题。
synchronized关键字会让没有得到锁资源的线程进入BLOCKED状态,而后在争夺到锁资源后恢复为RUNNABLE状态,这个过程中涉及到操作系统用户模式和内核模式的转换,代价比较高。
尽管JAVA 1.6为synchronized做了优化,增加了从偏向锁到轻量级锁再到重量级锁的过过度,但是在最终转变为重量级锁之后,性能仍然比较低。所以面对这种情况,我们就可以使用java中的“原子操作类”。
所谓原子操作类,指的是java.util.concurrent.atomic包下,一系列以Atomic开头的包装类。如AtomicBoolean,AtomicUInteger,AtomicLong。它们分别用于Boolean,Integer,Long类型的原子性操作。
现在我们尝试使用AtomicInteger类:
使用AtomicInteger之后,最终的输出结果同样可以保证是200。并且在某些情况下,代码的性能会比synchronized更好。
而Atomic操作类的底层正是用到了“CAS机制”。
CAS是英文单词Compare and Swap的缩写,翻译过来就是比较并替换。
CAS机制中使用了3个基本操作数:内存地址V,旧的预期值A,要修改的新值B。
更新一个变量的时候,只有当变量的预期值A和内存地址V当中的实际值相同时,才会将内存地址V对应的值修改为B。
我们看一个例子:
\1. 在内存地址V当中,存储着值为10的变量。
\2. 此时线程1想把变量的值增加1.对线程1来说,旧的预期值A=10,要修改的新值B=11.
\3. 在线程1要提交更新之前,另一个线程2抢先一步,把内存地址V中的变量值率先更新成了11。
\4. 线程1开始提交更新,首先进行A和地址V的实际值比较,发现A不等于V的实际值,提交失败。
\5. 线程1 重新获取内存地址V的当前值,并重新计算想要修改的值。此时对线程1来说,A=11,B=12。这个重新尝试的过程被称为自旋。
\6. 这一次比较幸运,没有其他线程改变地址V的值。线程1进行比较,发现A和地址V的实际值是相等的。
\7. 线程1进行交换,把地址V的值替换为B,也就是12.
从思想上来说,synchronized属于悲观锁,悲观的认为程序中的并发情况严重,所以严防死守,CAS属于乐观锁,乐观地认为程序中的并发情况不那么严重,所以让线程不断去重试更新。
在java中除了上面提到的Atomic系列类,以及Lock系列类夺得底层实现,甚至在JAVA1.6以上版本,synchronized转变为重量级锁之前,也会采用CAS机制。
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
这是CAS机制最大的问题所在。(后面有介绍)
我们下面来介绍一下两个问题:
- JAVA中CAS的底层实现
- CAS的ABA问题和解决办法。
我们看一下AtomicInteger当中常用的自增方法incrementAndGet:
public final int incrementAndGet() {
for (;;) {
int current = get();
int next = current + 1;
if (compareAndSet(current, next))
return next;
}
}
private volatile int value;
public final int get() {
return value;
}
这段代码是一个无限循环,也就是CAS的自旋,循环体中做了三件事:
\1. 获取当前值
\2. 当前值+1,计算出目标值
\3. 进行CAS操作,如果成功则跳出循环,如果失败则重复上述步骤
这里需要注意的重点是get方法,这个方法的作用是获取变量的当前值。
如何保证获取的当前值是内存中的最新值?很简单,用volatile关键字来保证(保证线程间的可见性)。我们接下来看一下compareAndSet方法的实现:
compareAndSet方法的实现很简单,只有一行代码。这里涉及到两个重要的对象,一个是unsafe,一个是valueOffset。
什么是unsafe呢?Java语言不像C,C++那样可以直接访问底层操作系统,但是JVM为我们提供了一个后门,这个后门就是unsafe。unsafe为我们提供了硬件级别的原子操作。
至于valueOffset对象,是通过unsafe.objectFiledOffset方法得到,所代表的是AtomicInteger对象value成员变量在内存中的偏移量。我们可以简单的把valueOffset理解为value变量的内存地址。
我们上面说过,CAS机制中使用了3个基本操作数:内存地址V,旧的预期值A,要修改的新值B。
而unsafe的compareAndSwapInt方法的参数包括了这三个基本元素:valueOffset参数代表了V,expect参数代表了A,update参数代表了B。
正是unsafe的compareAndSwapInt方法保证了Compare和Swap操作之间的原子性操作。
我们现在来说什么是ABA问题。假设内存中有一个值为A的变量,存储在地址V中。
此时有三个线程想使用CAS的方式更新这个变量的值,每个线程的执行时间有略微偏差。线程1和线程2已经获取当前值,线程3还未获取当前值。
接下来,线程1先一步执行成功,把当前值成功从A更新为B;同时线程2因为某种原因被阻塞住,没有做更新操作;线程3在线程1更新之后,获取了当前值B。
在之后,线程2仍然处于阻塞状态,线程3继续执行,成功把当前值从B更新成了A。
最后,线程2终于恢复了运行状态,由于阻塞之前已经获得了“当前值A”,并且经过compare检测,内存地址V中的实际值也是A,所以成功把变量值A更新成了B。
看起来这个例子没啥问题,但如果结合实际,就可以发现它的问题所在。
我们假设一个提款机的例子。假设有一个遵循CAS原理的提款机,小灰有100元存款,要用这个提款机来提款50元。
由于提款机硬件出了点问题,小灰的提款操作被同时提交了两次,开启了两个线程,两个线程都是获取当前值100元,要更新成50元。
理想情况下,应该一个线程更新成功,一个线程更新失败,小灰的存款值被扣一次。
线程1首先执行成功,把余额从100改成50.线程2因为某种原因阻塞。这时,小灰的妈妈刚好给小灰汇款50元。
线程2仍然是阻塞状态,线程3执行成功,把余额从50改成了100。
线程2恢复运行,由于阻塞之前获得了“当前值”100,并且经过compare检测,此时存款实际值也是100,所以会成功把变量值100更新成50。
原本线程2应当提交失败,小灰的正确余额应该保持100元,结果由于ABA问题提交成功了。
怎么解决呢?加个版本号就可以了。
真正要做到严谨的CAS机制,我们在compare阶段不仅要比较期望值A和地址V中的实际值,还要比较变量的版本号是否一致。
我们仍然以刚才的例子来说明,假设地址V中存储着变量值A,当前版本号是01。线程1获取了当前值A和版本号01,想要更新为B,但是被阻塞了。
这时候,内存地址V中变量发生了多次改变,版本号提升为03,但是变量值仍然是A。
随后线程1恢复运行,进行compare操作。经过比较,线程1所获得的值和地址的实际值都是A,但是版本号不相等,所以这一次更新失败。
在Java中,AtomicStampedReference类就实现了用版本号作比较额CAS机制。
转自:传送门
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