什么是 CAS 机制?

1.Synchronized关键字

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内核模式的转换(重量级锁在操作系统层面,申请了Mutex Lock 来实现互斥),代价比较高。

尽管Java1.6为Synchronized做了优化,增加了从偏向锁轻量级锁再到重量级锁的过度,但是在最终转变为重量级锁之后,性能仍然较低。

2.什么是CAS?

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。

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。

举例子:

1.在内存地址V当中,存储着值为10的变量。

2.此时线程1想要把变量的值增加1。对线程1来说,旧的预期值A=10,要修改的新值B=11。

此时

  线程1,A=10,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。

此时

  线程1,A=10,B=11

      线程2,变量值更新成了11

 

4.线程1获取cpu时间片段,开始提交更新,首先进行A和地址V的实际值比较(Compare),发现A不等于V的实际值,提交失败。

此时

  线程1,A=10,B=11,A!=V的值(10!=11),更新失败

  线程2,变量值更新成了11

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新值。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

此时

  线程1,A=11,B=12

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Compare,发现A和地址V的实际值是相等的。

此时

  线程1,A=11,B=12,A==V的值(11=11)

7.线程1进行SWAP,把地址V的值替换为B,也就是12。

此时

  线程1,A=11,B=12,A==V的值(11=11),地址V的值更新为12

从思想上来说,Synchronized属于悲观锁,悲观地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,所以让线程不断去尝试更新。

3.CAS的缺点:

3.1).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。
3.2).不能保证代码块的原子性

CAS机制所保证的只是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。

 

3.3).ABA问题

这是CAS机制最大的问题所在,ABA问题是一个变量的值从A改成了B,又从B改成了A。

1.什么是ABA呢?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。

6.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。

 

3.4).ABA问题的解决方法

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。

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。

4.在Java当中,AtomicStampedReference类就实现了用版本号做比较的CAS机制。

 

4.Java当中CAS的底层实现

4.1)查看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?很简单,用volatile关键字来保证。

 

4.2)查看compareAndSet方法的实现,以及方法所依赖对象的来历:

private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
private static final long valueOffset;

    static {
      try {
        valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
            (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
      } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
    }

public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
    }

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。

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。

 

 

 

posted @ 2019-01-24 17:10  加肥猫咪  阅读(...)  评论(...编辑  收藏