CAS详解

xiaoxiao2021-02-28  13

前言

在Java并发包中有这样一个包,java.util.concurrent.atomic,该包是对Java部分数据类型的原子封装,在原有数据类型的基础上,提供了原子性的操作方法,保证了线程安全。下面以AtomicInteger为例,来看一下是如何实现的。

[java]  view plain  copy   public final int incrementAndGet() {      for (;;) {          int current = get();          int next = current + 1;          if (compareAndSet(current, next))              return next;      }  }   [java]  view plain  copy   public final int decrementAndGet() {      for (;;) {          int current = get();          int next = current - 1;          if (compareAndSet(current, next))              return next;      }  }  

       以这两个方法为例,incrementAndGet方法相当于原子性的++i,decrementAndGet方法相当于原子性的--i(根据第一章和第二章我们知道++i或--i不是一个原子性的操作),这两个方法中都没有使用阻塞式的方式来保证原子性(如Synchronized),那它们是如何保证原子性的呢,下面引出CAS。

Compare And Swap

       CAS 指的是现代 CPU 广泛支持的一种对内存中的共享数据进行操作的一种特殊指令。这个指令会对内存中的共享数据做原子的读写操作。简单介绍一下这个指令的操作过程:首先,CPU 会将内存中将要被更改的数据与期望的值做比较。然后,当这两个值相等时,CPU 才会将内存中的数值替换为新的值。否则便不做操作。最后,CPU 会将旧的数值返回。这一系列的操作是原子的。它们虽然看似复杂,但却是 Java 5 并发机制优于原有锁机制的根本。简单来说,CAS 的含义是“我认为原有的值应该是什么,如果是,则将原有的值更新为新值,否则不做修改,并告诉我原来的值是多少”。(这段描述引自《Java并发编程实践》)       简单的来说,CAS有3个操作数,内存值V,旧的预期值A,要修改的新值B。当且仅当预期值A和内存值V相同时,将内存值V修改为B,否则返回V。这是一种乐观锁的思路,它相信在它修改之前,没有其它线程去修改它;而Synchronized是一种悲观锁,它认为在它修改之前,一定会有其它线程去修改它,悲观锁效率很低。下面来看一下AtomicInteger是如何利用CAS实现原子性操作的。

volatile变量

[java]  view plain  copy   private volatile int value;          首先声明了一个volatile变量value,在 第二章我们知道volatile保证了变量的内存可见性,也就是所有工作线程中同一时刻都可以得到一致的值。 [java]  view plain  copy   public final int get() {      return value;  }  

Compare And Set

[java]  view plain  copy   // setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updates  private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();  private static final long valueOffset;// 注意是静态的    static {    try {      valueOffset = unsafe.objectFieldOffset          (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));// 反射出value属性,获取其在内存中的位置    } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }  }    public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {    return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);  }          比较并设置,这里利用Unsafe类的JNI方法实现,使用CAS指令,可以保证读-改-写是一个原子操作。compareAndSwapInt有4个参数,this - 当前AtomicInteger对象,Offset - value属性在内存中的位置(需要强调的是不是value值在内存中的位置),expect - 预期值,update - 新值,根据上面的CAS操作过程,当内存中的value值等于expect值时,则将内存中的value值更新为update值,并返回true,否则返回false。在这里我们有必要对Unsafe有一个简单点的认识,从名字上来看,不安全,确实,这个类是用于执行低级别的、不安全操作的方法集合,这个类中的方法大部分是对内存的直接操作,所以不安全,但当我们使用反射、并发包时,都间接的用到了Unsafe。

循环设置

       现在在来看开篇提到的两个方法,我们拿incrementAndGet来分析一下其实现过程。 [java]  view plain  copy   public final int incrementAndGet() {      for (;;) {// 这样优于while(true)          int current = get();// 获取当前值          int next = current + 1;// 设置更新值          if (compareAndSet(current, next))              return next;      }  }          循环内,获取当前值并设置更新值,调用compareAndSet进行CAS操作,如果成功就返回更新值,否则重试到成功为止。这里可能存在一个隐患,那就是循环时间过长,总是在当前线程compareAndSet时,有另一个线程设置了value(点子太背了),这个当然是属于小概率时间,目前Java貌似还不能处理这种情况。

ABA

       虽然使用CAS可以实现非阻塞式的原子性操作,但是会产生ABA问题,关于ABA问题,计划单拿出一章来整理。        

CAS的ABA问题

所谓 ,问题基本是这个样子:

进程P1在共享变量中读到值为AP1被抢占了,进程P2执行P2把共享变量里的值从A改成了B,再改回到A,此时被P1抢占。P1回来看到共享变量里的值没有被改变,于是继续执行。

虽然P1以为变量值没有改变,继续执行了,但是这个会引发一些潜在的问题。ABA问题最容易发生在lock free 的算法中的,CAS首当其冲,因为CAS判断的是指针的地址。如果这个地址被重用了呢,问题就很大了。(地址被重用是很经常发生的,一个内存分配后释放了,再分配,很有可能还是原来的地址)

比如上述的DeQueue()函数,因为我们要让head和tail分开,所以我们引入了一个dummy指针给head,当我们做CAS的之前,如果head的那块内存被回收并被重用了,而重用的内存又被EnQueue()进来了,这会有很大的问题。(内存管理中重用内存基本上是一种很常见的行为)

这个例子你可能没有看懂,维基百科上给了一个活生生的例子——

你拿着一个装满钱的手提箱在飞机场,此时过来了一个火辣性感的美女,然后她很暖昧地挑逗着你,并趁你不注意的时候,把用一个一模一样的手提箱和你那装满钱的箱子调了个包,然后就离开了,你看到你的手提箱还在那,于是就提着手提箱去赶飞机去了。

这就是ABA的问题。

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