对CAS机制的理解(二)
一、Java当中CAS的底层实现
首先看看AtomicInteger的源码,AtomicInteger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。循环体当中做了三件事:
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。
如何保证获得的当前值是内存中的最新值呢?用volatile关键字来保证。
下面来看compareAndSet方法是如何保证原子性操作的。
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.objectFieldOffset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。我们可以简单地把valueOffset理解为value变量的内存地址。
上一篇说过,CAS机制当中使用了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。
二、CAS的ABA问题和解决方法
所谓ABA问题,就是一个变量的值从A改成了B,又从B改成了A。
1.假设内存中有一个值为A的变量,存储在地址V当中。
2.此时有三个线程想使用CAS的方式更新这个变量值,每个线程的执行时间有略微的偏差。线程1和线程2已经获得当前值,线程3还未获得当前值。
3.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,获得了当前值B。
4.再之后,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。
5.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。
这个过程中,线程2获取到的变量值A是一个旧值,尽管和当前的实际值相同,但内存地址V中的变量已经经历了A->B->A的改变。
这个例子表面上看似没什么毛病,因为本来就是要把A更新成B。下面结合实际应用场景,举一个提款机的栗子:
1.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。
2.由于提款机硬件出了点小问题,小灰的提款操作被同时提交两次,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,另一个线程更新失败,小灰的存款只被扣一次。)
3.线程1首先执行成功,把余额从100改成50。线程2因为某种原因阻塞了。这时候,小灰的妈妈刚好给小灰汇款50元。
4.线程2仍然是阻塞状态,线程3执行成功,把余额从50改成100。
5.线程2恢复运行,由于阻塞之前已经获得了“当前值”100,并且经过compare检测,此时存款实际值也是100,所以成功把变量值100更新成了50。
原本线程2应当提交失败,小灰的正确余额应该保持为100元,结果由于ABA问题提交成功了。
ABA问题的解决方法:加个版本号。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。
仍然以上一篇的栗子来说明,
1.假设地址V中存储着变量值A,当前版本号是01。线程1获得了当前值A和版本号01,想要更新为B,但是被阻塞了。
2.这时候,内存地址V中的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。
3.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V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当中,AtomicStampedReference类就实现了用版本号做比较的CAS机制。
回顾
1. Java语言CAS底层如何实现?
利用unsafe提供了原子性操作方法。
2. 什么是ABA问题?怎么解决?
当一个值从A更新成B,又更新会A,普通CAS机制会误判通过检测。
利用版本号比较可以有效解决ABA问题。
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