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CAS无锁机制深入理解

[日期:2020-03-31] 来源:Linux社区  作者:琴昕 [字体: ]

1.Java内存模型:JMM

  在内存模型当中定义一个主内存,所有声明的实例变量都存在于主内存当中,主内存的数据会共享给所有线程,每一个线程有一个块工作内存,工作内存当中主内存数据的副本当更新数据时,会将工作内存中的数据同步到主内存当中;

2.什么是CAS 

  CAS:Compare and Swap,即比较交换;

  jdk1.5增加了并发包java.util.concurrent.*,其下面的类使用CAS算法实现了区别于synchronized同步锁的一种乐观锁。jdk1.5之前java语言是靠synchronized关键字保证同步的,这是一种独占锁,也是悲观锁;

3.CAS算法理解

  3.1 与锁相比,使用比较交换会使程序看起来更加复杂一些。但由于其非阻塞性,它对死锁问题天生免疫,并且,线程间的相互影响也远远比基于锁的方式要小;更为重要的是,使用无锁的方式完全没有锁竞争带来的系统开销,也没有线程间频繁调度带来的开销;因此,它要比基于锁的方式拥有更优越的性能;

  3.2 无锁的好处:

    3.2.1 在高并发情况下,它比有锁的程序拥有更好的性能;

    3.2.2 它天生就是死锁免疫的;

  3.3 CAS算法的过程:

    它包含三个参数CAS(V,E,N):V表示更新的变量,E表示预期值,N表示新值;    

    3.3.1 线程访问时,先会将主内存中的数据同步到线程的工作内存当中
    3.3.2 假设线程A和线程B都有对数据进行更改,那么假如线程A先获取到执行权限
    3.3.3 线程A先会对比工作内存当中的数据和主内存当中的数据是否一致,如果一致(V==E)则进行更新,不一致则刷新数据,重新循环判断
    3.3.4 这时更新完毕后,线程B也要进行数据更新,主内存数据和工作内存数据做对比,如果一致则进行更新,不一致则将主内存数据重新更新到工作内存,然后循环再次对比两个内存中的数据直到一致为止

 

3.4 CAS操作是抱着乐观的态度进行的,它总是认为自己可以成功完成操作;当多个线程同时使用CAS操作一个变量时,只有一个会胜出,并成功更新,其余均会失败;失败的线程不会被挂起,仅是被告知失败,并且允许再次尝试,当然也允许失败的线程放弃操作;基于这样的原理,CAS操作即使没有锁,也可以发现其他线程对当前线程的干扰,并进行恰当的处理;

  3.5 简单的说,CAS需要你额外给出一个期望值,也就是你认为这个变量现在应该是什么样子的;如果变量不是你想象的那样,那说明它已经被别人修改过了;你就要重新读取,再次尝试修改就好了;

  3.6 在硬件层面,大部分的现代处理器都已经支持原子性的CAS指令;在jdk1.5以后,虚拟机便可以使用这个指令来实现并发操作和并发数据结构,并且,这种操作在虚拟机中可以说是无处不在;

4.CAS缺点

  CAS存在一个很明显的问题,即ABA问题;

  问题:如果变量V初次读取的时候是A,并且在准备赋值的时候检查到它任然是A,那能说明它的值没有被其他线程修改过了吗?

  如果在这段时间曾经被改成B,然后有改回A,那CAS操作就会误任务它从来没有被修改过。正对这种情况,java并发包提供了一个带有标记的原子应用类AtomicStampedRefernce,它可以通过变量值的版本来保证CAS的正确性;

5.原子类

  java中的原子类大致可以分为四个类:

      原子更新基本类型;

      原子更新数组类型;

      原子更新引用类型;

      原子更新属性类型;

  这些原子类中都是用了无锁的概念,有的地方直接使用CAS操作的线程安全的类型;

public class AtomicIntegerTest implements Runnable {

    private static Integer count=1;
    private static AtomicInteger atomicInteger=new AtomicInteger();

    @Override
    public void run() {
        while (true){
            int count=getCountAtomic();
            System.out.println(count);
            if (count>=150){
                break;
            }
        }
    }

    public synchronized Integer getCount(){
        try {
            Thread.sleep(50);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return count++;
    }

    public Integer getCountAtomic(){
        try {
            Thread.sleep(50);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return atomicInteger.incrementAndGet();
    }

    public static void main(String[] args){
        AtomicIntegerTest test = new AtomicIntegerTest();
        Thread thread1 = new Thread(test);
        Thread thread2 = new Thread(test);
        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}

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