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乐观锁—CAS算法

本文主要是介绍乐观锁—CAS算法,对大家解决编程问题具有一定的参考价值,需要的程序猿们随着小编来一起学习吧!

一、了解CAS

CAS全称 Compare And Swap(比较与交换),是一种无锁算法。在不使用锁(没有线程被阻塞)的情况下实现多线程之间的变量同步。

java.util.concurrent包中的原子类就是通过CAS来实现了乐观锁。

二、CAS相关

CAS算法涉及到三个操作数:

  • 需要读写的内存值 V;
  • 进行比较的值 A;
  • 要写入的新值 B;

当且仅当 V 的值等于 A 时,CAS通过原子方式用新值B来更新V的值(“比较+更新”整体是一个原子操作),否则不会执行任何操作。一般情况下,“更新”是一个不断重试的操作。

三、用到CAS算法的源码

之前提到java.util.concurrent包中的原子类,就是通过CAS来实现了乐观锁,那么我们进入原子类AtomicInteger的源码,看一下AtomicInteger的定义:
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根据定义我们可以看出各属性的作用:

  • unsafe: 获取并操作内存的数据;
  • valueOffset: 存储value在AtomicInteger中的偏移量;
  • value: 存储AtomicInteger的int值,该属性需要借助volatile关键字保证其在线程间是可见的;

接下来,我们查看AtomicInteger的自增函数incrementAndGet()的源码时,发现自增函数底层调用的是unsafe.getAndAddInt()。但是由于JDK本身只有Unsafe.class,只通过class文件中的参数名,并不能很好的了解方法的作用,所以我们通过OpenJDK 8 来查看Unsafe的源码:
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根据OpenJDK 8的源码我们可以看出,getAndAddInt()循环获取给定对象o中的偏移量处的值v,然后判断内存值是否等于v。如果相等则将内存值设置为 v + delta,否则返回false,继续循环进行重试,直到设置成功才能退出循环,并且将旧值返回。整个“比较+更新”操作封装在compareAndSwapInt()中,在JNI里是借助于一个CPU指令完成的,属于原子操作,可以保证多个线程都能够看到同一个变量的修改值。

后续JDK通过CPU的cmpxchg指令,去比较寄存器中的 A 和 内存中的值 V。如果相等,就把要写入的新值 B 存入内存中。如果不相等,就将内存值 V 赋值给寄存器中的值 A。然后通过Java代码中的while循环再次调用cmpxchg指令进行重试,直到设置成功为止。

四、CAS存在的问题

CAS虽然很高效,但是它也存在三大问题,这里也简单说一下:

1、ABA问题

CAS需要在操作值的时候检查内存值是否发生变化,没有发生变化才会更新内存值。但是如果内存值原来是A,后来变成了B,然后又变成了A,那么CAS进行检查时会发现值没有发生变化,但是实际上是有变化的。ABA问题的解决思路就是在变量前面添加版本号,每次变量更新的时候都把版本号加一,这样变化过程就从“A-B-A”变成了“1A-2B-3A”

JDK从1.5开始提供了AtomicStampedReference类来解决ABA问题,具体操作封装在compareAndSet()中。compareAndSet()首先检查当前引用和当前标志与预期引用和预期标志是否相等,如果都相等,则以原子方式将引用值和标志的值设置为给定的更新值。

2、开销过大

循环时间长开销大。CAS操作如果长时间不成功,会导致其一直自旋,给CPU带来非常大的开销。

3、原子性问题

只能保证一个共享变量的原子操作。对一个共享变量执行操作时,CAS能够保证原子操作,但是对多个共享变量操作时,CAS是无法保证操作的原子性的。

Java从1.5开始JDK提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性,可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作。

这篇关于乐观锁—CAS算法的文章就介绍到这儿,希望我们推荐的文章对大家有所帮助,也希望大家多多支持为之网!