Java編程cas操作全面解析
CAS 指的是現(xiàn)代 CPU 廣泛支持的一種對(duì)內(nèi)存中的共享數(shù)據(jù)進(jìn)行操作的一種特殊指令。這個(gè)指令會(huì)對(duì)內(nèi)存中的共享數(shù)據(jù)做原子的讀寫操作。
簡(jiǎn)單介紹一下這個(gè)指令的操作過(guò)程:首先,CPU 會(huì)將內(nèi)存中將要被更改的數(shù)據(jù)與期望的值做比較。然后,當(dāng)這兩個(gè)值相等時(shí),CPU 才會(huì)將內(nèi)存中的數(shù)值替換為新的值。否則便不做操作。最后,CPU 會(huì)將舊的數(shù)值返回。這一系列的操作是原子的。它們雖然看似復(fù)雜,但卻是 Java 5 并發(fā)機(jī)制優(yōu)于原有鎖機(jī)制的根本。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),CAS 的含義是“我認(rèn)為原有的值應(yīng)該是什么,如果是,則將原有的值更新為新值,否則不做修改,并告訴我原來(lái)的值是多少”。(這段描述引自《Java并發(fā)編程實(shí)踐》)
簡(jiǎn)單的來(lái)說(shuō),CAS有3個(gè)操作數(shù),內(nèi)存值V,舊的預(yù)期值A(chǔ),要修改的新值B。當(dāng)且僅當(dāng)預(yù)期值A(chǔ)和內(nèi)存值V相同時(shí),將內(nèi)存值V修改為B,否則返回V。這是一種樂(lè)觀鎖的思路,它相信在它修改之前,沒(méi)有其它線程去修改它;而Synchronized是一種悲觀鎖,它認(rèn)為在它修改之前,一定會(huì)有其它線程去修改它,悲觀鎖效率很低。
下面看一個(gè)簡(jiǎn)單的例子:
if(a==b) { a++; }
試想一下如果在做a++之前a的值被改變了怎么辦?a++還執(zhí)行嗎?出現(xiàn)該問(wèn)題的原因是在多線程環(huán)境下,a的值處于一種不定的狀態(tài)。采用鎖可以解決此類問(wèn)題,但CAS也可以解決,而且可以不加鎖。
int expect = a; if(a.compareAndSet(expect,a+1)) { doSomeThing1(); } else { doSomeThing2(); }
這樣如果a的值被改變了a++就不會(huì)被執(zhí)行。
按照上面的寫法,a!=expect之后,a++就不會(huì)被執(zhí)行,如果我們還是想執(zhí)行a++操作怎么辦,沒(méi)關(guān)系,可以采用while循環(huán)
while(true) { int expect = a; if (a.compareAndSet(expect, a + 1)) { doSomeThing1(); return; } else { doSomeThing2(); } }
采用上面的寫法,在沒(méi)有鎖的情況下實(shí)現(xiàn)了a++操作,這實(shí)際上是一種非阻塞算法。
應(yīng)用
java.util.concurrent.atomic包中幾乎大部分類都采用了CAS操作,以AtomicInteger為例,看看它幾個(gè)主要方法的實(shí)現(xiàn):
public final int getAndSet(int newValue) { for (;;) { int current = get(); if (compareAndSet(current, newValue)) return current; } }
getAndSet方法JDK文檔中的解釋是:以原子方式設(shè)置為給定值,并返回舊值。原子方式體現(xiàn)在何處,就體現(xiàn)在compareAndSet上,看看compareAndSet是如何實(shí)現(xiàn)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類的CAS操作完成的。
再來(lái)看看a++操作是如何實(shí)現(xiàn)的:
public final int getAndIncrement() { for (;;) { int current = get(); int next = current + 1; if (compareAndSet(current, next)) return current; } }
幾乎和最開(kāi)始的實(shí)例一模一樣,也是采用CAS操作來(lái)實(shí)現(xiàn)自增操作的。
++a操作和a++操作類似,只不過(guò)返回結(jié)果不同罷了
public final int incrementAndGet() { for (;;) { int current = get(); int next = current + 1; if (compareAndSet(current, next)) return next; } }
此外,java.util.concurrent.ConcurrentLinkedQueue類全是采用的非阻塞算法,里面沒(méi)有使用任何鎖,全是基于CAS操作實(shí)現(xiàn)的。CAS操作可以說(shuō)是JAVA并發(fā)框架的基礎(chǔ),整個(gè)框架的設(shè)計(jì)都是基于CAS操作的。
缺點(diǎn):
1、ABA問(wèn)題
維基百科上給了一個(gè)活生生的例子——
你拿著一個(gè)裝滿錢的手提箱在飛機(jī)場(chǎng),此時(shí)過(guò)來(lái)了一個(gè)火辣性感的美女,然后她很暖昧地挑逗著你,并趁你不注意的時(shí)候,把用一個(gè)一模一樣的手提箱和你那裝滿錢的箱子調(diào)了個(gè)包,然后就離開(kāi)了,你看到你的手提箱還在那,于是就提著手提箱去趕飛機(jī)去了。
這就是ABA的問(wèn)題。
CAS操作容易導(dǎo)致ABA問(wèn)題,也就是在做a++之間,a可能被多個(gè)線程修改過(guò)了,只不過(guò)回到了最初的值,這時(shí)CAS會(huì)認(rèn)為a的值沒(méi)有變。a在外面逛了一圈回來(lái),你能保證它沒(méi)有做任何壞事,不能??!也許它討閑,把b的值減了一下,把c的值加了一下等等,更有甚者如果a是一個(gè)對(duì)象,這個(gè)對(duì)象有可能是新創(chuàng)建出來(lái)的,a是一個(gè)引用呢情況又如何,所以這里面還是存在著很多問(wèn)題的,解決ABA問(wèn)題的方法有很多,可以考慮增加一個(gè)修改計(jì)數(shù),只有修改計(jì)數(shù)不變的且a值不變的情況下才做a++,也可以考慮引入版本號(hào),當(dāng)版本號(hào)相同時(shí)才做a++操作等,這和事務(wù)原子性處理有點(diǎn)類似!
2、比較花費(fèi)CPU資源,即使沒(méi)有任何爭(zhēng)用也會(huì)做一些無(wú)用功。
3、會(huì)增加程序測(cè)試的復(fù)雜度,稍不注意就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。
總結(jié)
可以用CAS在無(wú)鎖的情況下實(shí)現(xiàn)原子操作,但要明確應(yīng)用場(chǎng)合,非常簡(jiǎn)單的操作且又不想引入鎖可以考慮使用CAS操作,當(dāng)想要非阻塞地完成某一操作也可以考慮CAS。不推薦在復(fù)雜操作中引入CAS,會(huì)使程序可讀性變差,且難以測(cè)試,同時(shí)會(huì)出現(xiàn)ABA問(wèn)題。
以上是本文關(guān)于Java編程cas操作的全部?jī)?nèi)容,希望對(duì)大家能有所幫助。
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