三分鐘帶你秒懂CAS實現(xiàn)機制
一、摘要
在 Java 的java.util.concurrent包中,除了提供底層鎖、并發(fā)同步等工具類以外,還提供了一組原子操作類,大多以Atomic開頭,他們位于java.util.concurrent.atomic包下。
所謂原子類操作,顧名思義,就是這個操作要么全部執(zhí)行成功,要么全部執(zhí)行失敗,是保證并發(fā)編程安全的重要一環(huán)。
以AtomicInteger原子類為例,應用示例如下!
public class Demo {
/**
* 初始化一個原子操作類
*/
private static AtomicInteger a = new AtomicInteger();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
final int threads = 10;
CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threads);
for (int i = 0; i < threads; i++) {
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
for (int j = 0; j < 1000; j++) {
// 采用原子性操作累加
a.incrementAndGet();
}
countDownLatch.countDown();
}
}).start();
}
// 阻塞等待10個線程執(zhí)行完畢
countDownLatch.await();
// 輸出結(jié)果值
System.out.println("結(jié)果值:" + a.get());
}
}
輸出結(jié)果:
結(jié)果值:10000
相比通過synchronized和lock等方式實現(xiàn)的線程安全同步操作,原子類的實現(xiàn)機制則完全不同。它采用的是通過無鎖(lock-free)的方式來實現(xiàn)線程安全(thread-safe)訪問,底層原理主要基于CAS操作來實現(xiàn)。
某些業(yè)務場景下,通過原子類來操作,既可以實現(xiàn)線程安全的要求,又可以實現(xiàn)高效的并發(fā)性能,同時編程方面更加簡單。
二、什么是 CAS 操作呢?
CAS,全稱是:Compare and Swap,翻譯過來就是:比較并替換。它是實現(xiàn)并發(fā)算法時常用的一種技術,它包含三個操作數(shù):內(nèi)存位置、預期原值及新值。在執(zhí)行CAS操作的時候,會將內(nèi)存位置的值與預期原值比較,如果一致,會將該位置的值更新為新值;否則,不做任何操作。
我們還是以AtomicInteger原子類為例,部分源碼內(nèi)容如下:
public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
private static final long serialVersionUID = 6214790243416807050L;
// 使用 Unsafe.compareAndSwapInt 方法進行 CAS 操作
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); }
}
// 變量使用 volatile 保證可見性
private volatile int value;
/**
* get 方法
*/
public final int get() {
return value;
}
/**
* 原子性自增操作
*/
public final int incrementAndGet() {
return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
}
}
從源碼上可以清晰的看出,變量value使用了volatile關鍵字,保證數(shù)據(jù)可見性和程序的有序性;原子性自增操作incrementAndGet()方法,路由到Unsafe.getAndAddInt()方法上。
我們繼續(xù)往下看Unsafe.getAndAddInt()這個方法,部分源碼內(nèi)容如下:
public final class Unsafe {
public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
int var5;
// 1.循環(huán)比較并替換,只有成功才返回
do {
// 2.調(diào)用底層方法得到 value 值
var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
// 3.通過var1和var2得到底層值,var5為當前值,如果底層值與當前值相同,則將值設為var5+var4
} while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));
// 4.如果替換成功,返回當前值
return var5;
}
/**
* CAS 核心方法,由其他語言實現(xiàn),不再分析
*/
public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);
}
從以上的源碼可以清晰的看到,incrementAndGet()方法主要基于Unsafe.compareAndSwapInt方法來實現(xiàn),同時進行了循環(huán)比較與替換的操作,只有替換成功才會返回,這個過程也被稱為自旋操作,確保程序執(zhí)行成功,進一步保證了操作的原子性。
其它的方法實現(xiàn)思路也類似。
如果我們自己通過CAS編寫incrementAndGet(),大概長這樣:
public int incrementAndGet(AtomicInteger var) {
int prev, next;
do {
prev = var.get();
next = prev + 1;
} while ( !var.compareAndSet(prev, next));
return next;
}
當并發(fā)數(shù)量比較低的時候,采用CAS這種方式可以實現(xiàn)更快的執(zhí)行效率;當并發(fā)數(shù)量比較高的時候,因為存在循環(huán)比較與替換的邏輯,如果長時間循環(huán),可能會更加消耗 CPU 資源,此時采用synchronized或Lock來實現(xiàn)線程同步,可能會更有優(yōu)勢。
三、ABA問題
從上文的分析中,我們知道 CAS 在操作的時候會檢查預期原值是否發(fā)生變化,當預期原值沒有發(fā)生變化才會更新值。
在實際業(yè)務中,可能會出現(xiàn)這么一個現(xiàn)象:線程 t1 正嘗試將共享變量的值 A 進行修改,但還沒修改;此時另一個線程 t2 獲取到 CPU 時間片,將共享變量的值 A 修改成 B,然后又修改為 A,此時線程 t1 檢查發(fā)現(xiàn)共享變量的值沒有發(fā)生變化,就會主動去更新值,導致出現(xiàn)了錯誤更新,但是實際上原始值在這個過程中發(fā)生了好幾次變化。這個現(xiàn)象我們稱它為 ABA 問題。
ABA 問題的解決思路就是使用版本號,在變量前面追加上版本號,每次變量更新的時候把版本號加 1,原來的A-B-A就會變成1A-2B-3A。
在java.util.concurrent.atomic包下提供了AtomicStampedReference類,它支持指定版本號來更新,可以通過它來解決 ABA 問題。
在AtomicStampedReference類的compareAndSet()方法中,會檢查當前引用是否等于預期引用,并且當前版本號是否等于預期版本號,如果全部相等,則以原子方式將該引用的值設置為給定的更新值,同時更新版本號。
具體示例如下:
// 初始化一個帶版本號的原子操作類,原始值:a,原始版本號:1
AtomicStampedReference<String> reference = new AtomicStampedReference<>("a", 1);
// 將a更為b,同時將版本號加1,第一個參數(shù):預期原值;第二個參數(shù):更新后的新值;第三個參數(shù):預期原版本號;第四個參數(shù):更新后的版本號
boolean result1 = reference.compareAndSet("a", "b", reference.getStamp(), reference.getStamp() + 1);
System.out.println("第一次更新:" + result1);
// 將b更為a,因為預期原版本號不對,所以更新失敗
boolean result2 = reference.compareAndSet("b", "a", 1, reference.getStamp());
System.out.println("第二次更新:" + result2);
輸出結(jié)果:
第一次更新:true
第二次更新:false
四、小結(jié)
本文主要以AtomicInteger的用法和原理為例,對 CAS 實現(xiàn)原理進行介紹,JUC包下的原子操作類非常的多,但是大體用法和原理基本相似,只是針對不同的數(shù)據(jù)類型做了細分處理。
希望本篇的知識總結(jié),能幫助到大家!
五、參考
1.https://www.liaoxuefeng.com/wiki/1252599548343744/1306581083881506
2.https://blog.csdn.net/zzti_erlie/article/details/123001758
3.https://juejin.cn/post/7057032581165875231