『圖解Java并發(fā)』面試必問(wèn)的CAS原理你會(huì)了嗎？

作者：雷小帥 2021-04-26 17:23:21

在并發(fā)編程中我們都知道i++操作是非線程安全的，這是因?yàn)?i++操作不是原子操作。如何保證原子性呢?常用的方法就是加鎖。在Java語(yǔ)言中可以使用 Synchronized和CAS實(shí)現(xiàn)加鎖效果。

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在并發(fā)編程中我們都知道i++操作是非線程安全的，這是因?yàn)?i++操作不是原子操作。

如何保證原子性呢?常用的方法就是加鎖。在Java語(yǔ)言中可以使用 Synchronized和CAS實(shí)現(xiàn)加鎖效果。

Synchronized是悲觀鎖，線程開(kāi)始執(zhí)行第一步就是獲取鎖，一旦獲得鎖，其他的線程進(jìn)入后就會(huì)阻塞等待鎖。如果不好理解，舉個(gè)生活中的例子：一個(gè)人進(jìn)入廁所后首先把門(mén)鎖上(獲取鎖)，然后開(kāi)始上廁所，這個(gè)時(shí)候有其他人來(lái)了只能在外面等(阻塞)，就算再急也沒(méi)用。上完廁所完事后把門(mén)打開(kāi)(解鎖)，其他人就可以進(jìn)入了。

CAS是樂(lè)觀鎖，線程執(zhí)行的時(shí)候不會(huì)加鎖，假設(shè)沒(méi)有沖突去完成某項(xiàng)操作，如果因?yàn)闆_突失敗了就重試，最后直到成功為止。

什么是 CAS?

CAS(Compare-And-Swap)是比較并交換的意思，它是一條 CPU 并發(fā)原語(yǔ)，用于判斷內(nèi)存中某個(gè)值是否為預(yù)期值，如果是則更改為新的值，這個(gè)過(guò)程是原子的。下面用一個(gè)小示例解釋一下。

CAS機(jī)制當(dāng)中使用了3個(gè)基本操作數(shù)：內(nèi)存地址V，舊的預(yù)期值A(chǔ)，計(jì)算后要修改后的新值B。

(1)初始狀態(tài)：在內(nèi)存地址V中存儲(chǔ)著變量值為 1。

(2)線程1想要把內(nèi)存地址為 V 的變量值增加1。這個(gè)時(shí)候?qū)€程1來(lái)說(shuō)，舊的預(yù)期值A(chǔ)=1，要修改的新值B=2。

(3)在線程1要提交更新之前，線程2捷足先登了，已經(jīng)把內(nèi)存地址V中的變量值率先更新成了2。

(4)線程1開(kāi)始提交更新，首先將預(yù)期值A(chǔ)和內(nèi)存地址V的實(shí)際值比較(Compare)，發(fā)現(xiàn)A不等于V的實(shí)際值，提交失敗。

(5)線程1重新獲取內(nèi)存地址 V 的當(dāng)前值，并重新計(jì)算想要修改的新值。此時(shí)對(duì)線程1來(lái)說(shuō)，A=2，B=3。這個(gè)重新嘗試的過(guò)程被稱為自旋。如果多次失敗會(huì)有多次自旋。

(6)線程 1 再次提交更新，這一次沒(méi)有其他線程改變地址 V 的值。線程1進(jìn)行Compare，發(fā)現(xiàn)預(yù)期值 A 和內(nèi)存地址 V的實(shí)際值是相等的，進(jìn)行 Swap 操作，將內(nèi)存地址 V 的實(shí)際值修改為 B。

總結(jié)：更新一個(gè)變量的時(shí)候，只有當(dāng)變量的預(yù)期值 A 和內(nèi)存地址 V 中的實(shí)際值相同時(shí)，才會(huì)將內(nèi)存地址 V 對(duì)應(yīng)的值修改為 B，這整個(gè)操作就是CAS。

CAS 基本原理

CAS 主要包括兩個(gè)操作：Compare和Swap，有人可能要問(wèn)了：兩個(gè)操作能保證是原子性嗎?可以的。

CAS 是一種系統(tǒng)原語(yǔ)，原語(yǔ)屬于操作系統(tǒng)用語(yǔ)，原語(yǔ)由若干指令組成，用于完成某個(gè)功能的一個(gè)過(guò)程，并且原語(yǔ)的執(zhí)行必須是連續(xù)的，在執(zhí)行過(guò)程中不允許被中斷，也就是說(shuō) CAS 是一條 CPU 的原子指令，由操作系統(tǒng)硬件來(lái)保證。

在 Intel 的 CPU 中，使用 cmpxchg 指令。

回到 Java 語(yǔ)言，JDK 是在 1.5 版本后才引入 CAS 操作，在sun.misc.Unsafe這個(gè)類(lèi)中定義了 CAS 相關(guān)的方法。

public final native boolean compareAndSwapObject(Object o, long offset, Object expected, Object x); 
 
public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset, int expected, int x); 
 
public final native boolean compareAndSwapLong(Object o, long offset, long expected, long x);

可以看到方法被聲明為native，如果對(duì) C++ 比較熟悉可以自行下載 OpenJDK 的源碼查看 unsafe.cpp，這里不再展開(kāi)分析。

CAS 在 Java 語(yǔ)言中的應(yīng)用

在 Java 編程中我們通常不會(huì)直接使用到 CAS，都是通過(guò) JDK 封裝好的并發(fā)工具類(lèi)來(lái)間接使用的，這些并發(fā)工具類(lèi)都在java.util.concurrent包中。

J.U.C 是java.util.concurrent的簡(jiǎn)稱，也就是大家常說(shuō)的 Java 并發(fā)編程工具包，面試?？迹浅７浅Ｖ匾?。

目前 CAS 在 JDK 中主要應(yīng)用在 J.U.C 包下的 Atomic 相關(guān)類(lèi)中。

比如說(shuō) AtomicInteger 類(lèi)就可以解決 i++ 非原子性問(wèn)題，通過(guò)查看源碼可以發(fā)現(xiàn)主要是靠 volatile 關(guān)鍵字和 CAS 操作來(lái)實(shí)現(xiàn)，具體原理和源碼分析后面的文章會(huì)展開(kāi)分析。

CAS 的問(wèn)題

CAS 不是萬(wàn)能的，也有很多問(wèn)題。

敲黑板：CAS有哪些問(wèn)題，這是面試高頻考點(diǎn)，需要重點(diǎn)掌握。

典型 ABA 問(wèn)題

ABA 是 CAS 操作的一個(gè)經(jīng)典問(wèn)題，假設(shè)有一個(gè)變量初始值為 A，修改為 B，然后又修改為 A，這個(gè)變量實(shí)際被修改過(guò)了，但是 CAS 操作可能無(wú)法感知到。

如果是整形還好，不會(huì)影響最終結(jié)果，但如果是對(duì)象的引用類(lèi)型包含了多個(gè)變量，引用沒(méi)有變實(shí)際上包含的變量已經(jīng)被修改，這就會(huì)造成大問(wèn)題。

如何解決?思路其實(shí)很簡(jiǎn)單，在變量前加版本號(hào)，每次變量更新了就把版本號(hào)加一，結(jié)果如下：

最終結(jié)果都是 A 但是版本號(hào)改變了。

從 JDK 1.5 開(kāi)始提供了AtomicStampedReference類(lèi)，這個(gè)類(lèi)的 compareAndSe方法首先檢查當(dāng)前引用是否等于預(yù)期引用，并且當(dāng)前標(biāo)志是否等于預(yù)期標(biāo)志，如果全部相等，則以原子方式將該引用和該標(biāo)志的值設(shè)置為給定的更新值。

自旋開(kāi)銷(xiāo)問(wèn)題

CAS 出現(xiàn)沖突后就會(huì)開(kāi)始自旋操作，如果資源競(jìng)爭(zhēng)非常激烈，自旋長(zhǎng)時(shí)間不能成功就會(huì)給 CPU 帶來(lái)非常大的開(kāi)銷(xiāo)。

解決方案：可以考慮限制自旋的次數(shù)，避免過(guò)度消耗 CPU;另外還可以考慮延遲執(zhí)行。

只能保證單個(gè)變量的原子性

當(dāng)對(duì)一個(gè)共享變量執(zhí)行操作時(shí)，可以使用 CAS 來(lái)保證原子性，但是如果要對(duì)多個(gè)共享變量進(jìn)行操作時(shí)，CAS 是無(wú)法保證原子性的，比如需要將 i 和 j 同時(shí)加 1：

i++;j++;

這個(gè)時(shí)候可以使用 synchronized 進(jìn)行加鎖，有沒(méi)有其他辦法呢?有，將多個(gè)變量操作合成一個(gè)變量操作。從 JDK1.5 開(kāi)始提供了AtomicReference 類(lèi)來(lái)保證引用對(duì)象之間的原子性，你可以把多個(gè)變量放在一個(gè)對(duì)象里來(lái)進(jìn)行CAS操作。