Java编程cas操作全面解析

网友投稿 305 2023-04-04


Java编程cas操作全面解析

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。

下面看一个简单的例子:

if(a==b) {

a++;

}

试想一下如果在做a++之前a的值被改变了怎么办?a++还执行吗?出现该问题的原因是在多线程环境下,a的值处于一种不定的状态。采用锁可以解决此类问题,但CAS也可以解决,而且可以不加锁。

int expect = a;

if(a.compareAndSet(expect,a+1)) {

doSomeThing1();

} else {

doSomeThing2();

}

这样如果a的值被改变了a++就不会被执行。

按照上面的写法,a!=expect之后,a++就不会被执行,如果我们还是想执行a++操作怎么办,没关系,可以采用whileoNJiAl循环

while(true) {

int expect = a;

if (a.compareAndSet(expect, a + 1)) {

doSomeThing1();

return;

} else {

doSomeThing2();

}

}

采用上面的写法,在没有锁的情况下实现了a++操作,这实际上是一种非阻塞算法。

应用

java.util.concurrent.atomic包中几乎大部分类都采用了CAS操作,以AtomicInteger为例,看看它几个主要方法的实现:

public final int getAndSet(int newValue) {

for (;;) {

int current = get();

if (compareAndSet(current, newValue))

return current;

}

}

getAndSet方法JDK文档中的解释是:以原子方式设置为给定值,并返回旧值。原子方式体现在何处,就体现在compareAndSet上,看看compareAndSet是如何实现的:

public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {

return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);

}

不出所料,它就是采用的Unsafe类的CAS操作完成的。

再来看看a++操作是如何实现的:

public final int getAndIncrement() {

for (;;) {

int current = get();

int next = current + 1;

if (compareAndSet(current, next))

return current;

}

}

几乎和最开始的实例一模一样,也是采用CAS操作来实现自增操作的。

++a操作和a++操作类似,只不过返回结果不同罢了

public final int incrementAndGet() {

for (;;) {

int current = get();

int next = current + 1;

if (compareAndSet(current, next))

return next;

}

}

此外,java.util.concurrent.ConcurrentLinkedQueue类全是采用的非阻塞算法,里面没有使用任何锁,全是基于CAS操作实现的。CAS操作可以说是JAVA并发框架的基础,整个框架的设计都是基于CAS操作的。

缺点:

1、ABA问题

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。

CAS操作容易导致ABA问题,也就是在做a++之间,a可能被多个线程修改过了,只不过回到了最初的值,这时CAS会认为a的值没有变。a在外面逛了一圈回来,你能保证它没有做任何坏事,不能!!也许它讨闲,把b的值减了一下,把c的值加了一下等等,更有甚者如果a是一个对象,这个对象有可能是新创建出来的,a是一个引用呢情况又如何,所以这里面还是存在着很多问题的,解决ABA问题的http://方法有很多,可以考虑增加一个修改计数,只有修改计数不变的且a值不变的情况下才做a++,也可以考虑引入版本号,当版本号相同时才做a++操作等,这和事务原子性处理有点类似!

2、比较花费CPU资源,即使没有任何争用也会做一些无用功。

3、会增加程序测试的复杂度,稍不注意就会出现问题。

总结

可以用CAS在无锁的情况下实现原子操作,但要明确应用场合,非常简单的操作且又不想引入锁可以考虑使用CAS操作,当想要非阻塞地完成某一操作也可以考虑CAS。不推荐在复杂操作中引入CAS,会使程序可读性变差,且难以测试,同时会出现ABA问题。

以上是本文关于Java编程cas操作的全部内容,希望对大家能有所帮助。


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