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聊聊并发(六)——CAS算法

  强烈建议读者看这篇之前,先看这篇 初识JUC 的前两节,对原子性,原子变量,内存可见性有一个初步认识。

  CAS(Compare and Swap)是一种硬件对并发的支持,针对多处理器操作而设计的处理器中的一种特殊指令,用于管理对共享数据的并发访问,是硬件对于并发操作共享数据的支持。它是一个原子性的操作,对应到CPU指令为cmpxchg。它是一条CPU并发原语。

  CAS包含了3个操作数:内存值V,比较值A,更新值B。当且仅当V == A时,V = B,否则不执行任何操作。

  CAS算法:当多个线程并发的对主存中的数据进行修改的时候。有且只有一个线程会成功,其他的都会失败(同时操作,只是会失败而已,并不会被锁之类的)。

  CAS是一种无锁的非阻塞算法,是乐观锁的一种实现。不存在上下文切换的问题。

  CAS比普通同步锁效率高,原因:CAS算法当这一次不成功的时候,它下一次不会阻塞,也就是它不会放弃CPU的执行权,它可以立即再次尝试,再去更新。

  通俗的说:我要将变量 i 由 2 修改为 3。当内存中 i == 2,且修改成功,才为成功。若内存中 i 由于其他线程的操作已经不是 2 了,那此次我的修改视为失败。

  JDK 1.5 以后java.util.concurrent.atomic包下提供了常用的原子变量。它支持单个变量上的无锁线程安全编程。这些原子变量具备以下特点:volatile的内存可见性;CAS算法保证数据的原子性。

  atomic包描述:图片来源API文档

  代码示例:原子变量使用

  分析:很简单,设置初始值为 2。

  ①由 3 修改成5,而设置初始值内存值为2,所以修改失败,返回false。

  ②由 2 修改成10,初始值内存值为2,所以修改成功,返回true。

  这些原子变量底层就是通过CAS算法来保证数据的原子性。

  源码示例:AtomicInteger 类

  说明:public final boolean compareAndSet(int expect, int update)

  变量valueOffset:通过静态代码块获取变量value在内存中的偏移地址。

  变量value:用volatile修饰,这里体现了"多线程之间的内存可见性"。

  this:即 AtomicInteger 对象本身。

  很容易理解:就是将当前对象 this 的变量value,由期望值 expect 修改为 update。

  源码示例:Unsafe 类

  Unsafe是CAS的核心类,其所有方法都是native修饰的。也就是说Unsafe类中的方法都直接调用操作系统底层资源执行相应任务,是由C/C++编写的本地方法。CAS算法的实现,也是由Unsafe类通过调用本地方法直接操作特定内存数据来实现的。

  getAndIncrement()方法能够在多线程环境保证变量的原子性自增。但源码中,并没有加synchronized或者lock锁,那么,它是如何保证的呢?其实很简单:

  先获取一次变量的内存值,然后通过CAS算法进行比较更新。失败了就一直不停的重试,是一个循环的过程,这个过程也称作自旋。

  这就是为什么 AtomicInteger 的自增操作具备原子性。

  (1)ABA问题。

  (2)循环时间变长:高并发情况下,使用CAS可能会存在一些线程一直循环修改不成功,导致循环时间变长,这会给CPU带来很大的执行开销。由于AtomicInteger中的变量是volatile的,为了保证内存可见性,需要保证缓存一致性,通过总线传输数据,当有大量的CAS循环时,会产生总线风暴。

  (3)只能保证一个变量的原子操作:如果需要保证多个变量操作的原子性,是做不到的。对于这种情况只能使用synchronized或者juc包中的Lock工具。

  代码示例:演示ABA问题

  如何理解ABA问题?

  可能你会觉得,线程 t2 不就是要将"A"改为"C"嘛,虽然中间变化了,但对 t2 也没影响呀!

  比如:你的银行卡里有10w,中间你领了工资1w,然后,又被扣除还了房贷1w,此时,你的银行卡里还是10w。虽然结果没变,但余额已经不是原来的余额了。而且,你一定在意中间你的钱去哪里了,所以是不一样的。

  再比如:对于公司财务来说,可能某一时刻,账户是100w,你偷偷挪用了公款20w,后来又悄悄补上了。虽然结果没变,但中间的记账明细,其实我们是关心的,因为这个时候你已经犯法了。

  带时间戳的原子引用:Java提供了AtomicStampedReference来解决ABA问题。其实其实就是加了版本号,每一次的修改,版本号都 +1。比对的是 内存值 + 版本号 是否一致。

  代码示例:解决ABA问题

  compareAndSet()方法的 4 个参数:

  expectedReference:表示期望的引用值   newReference:表示要修改后的新引用值   expectedStamp:表示期望的戳(版本号)   newStamp:表示修改后新的戳(版本号)

  很简单,维护了一对Pair,里面除了引用reference,还有一个int类型的戳(版本号)。比较更新的时候,两个变量都要比较。

  《阿里巴巴Java开发手册》推荐使用LongAdder。

  AtomicLong,本质上是多个线程同时操作同一个目标资源,有且只有一个线程执行成功,其他线程都会失败,不断重试(自旋),自旋会成为瓶颈。

  而LongAdder的思想就是把要操作的目标资源[分散]到数组Cell中,每个线程对自己的Cell变量的value进行原子操作,大大降低了失败的次数。

  这就是为什么在高并发场景下,推荐使用LongAdder的原因。

  参考文档:https://www.matools.com/api/java8

  《阿里巴巴Java开发手册》百度网盘:https://pan.baidu.com/s/1aWT3v7Efq6wU3GgHOqm-CA 密码: uxm8

作者:Craftsman-L

出处:https://www.cnblogs.com/originator

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