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Java并發(fā)編程總結(jié)——慎用CAS詳解

 更新時間:2016年06月08日 12:13:15   投稿:jingxian  
下面小編就為大家?guī)硪黄狫ava并發(fā)編程總結(jié)——慎用CAS詳解。小編覺得挺不錯的, 現(xiàn)在就分享給大家,也給大家做個參考。一起跟隨小編過來看看吧

一、CAS和synchronized適用場景

1、對于資源競爭較少的情況,使用synchronized同步鎖進行線程阻塞和喚醒切換以及用戶態(tài)內(nèi)核態(tài)間的切換操作額外浪費消耗cpu資源;而CAS基于硬件實現(xiàn),不需要進入內(nèi)核,不需要切換線程,操作自旋幾率較少,因此可以獲得更高的性能。

2、對于資源競爭嚴重的情況,CAS自旋的概率會比較大,從而浪費更多的CPU資源,效率低于synchronized。以java.util.concurrent.atomic包中AtomicInteger類為例,其getAndIncrement()方法實現(xiàn)如下:

public final int getAndIncrement() {
    for (;;) {
      int current = get();
      int next = current + 1;
      if (compareAndSet(current, next))
        return current;
    }
}

如果compareAndSet(current, next)方法成功執(zhí)行,則直接返回;如果線程競爭激烈,導致compareAndSet(current, next)方法一直不能成功執(zhí)行,則會一直循環(huán)等待,直到耗盡cpu分配給該線程的時間片,從而大幅降低效率。

二、CAS錯誤的使用場景

public class CASDemo {
  private final int THREAD_NUM = 1000;
  private final int MAX_VALUE = 20000000;
  private AtomicInteger casI = new AtomicInteger(0);
  private int syncI = 0;
  private String path = "/Users/pingping/DataCenter/Books/Linux/Linux常用命令詳解.txt";

  public void casAdd() throws InterruptedException {
    long begin = System.currentTimeMillis();
    Thread[] threads = new Thread[THREAD_NUM];
    for (int i = 0; i < THREAD_NUM; i++) {
      threads[i] = new Thread(new Runnable() {
        public void run() {
          while (casI.get() < MAX_VALUE) {
            casI.getAndIncrement();
          }
        }
      });
      threads[i].start();
    }
    for (int j = 0; j < THREAD_NUM; j++) {
      threads[j].join();
    }
    System.out.println("CAS costs time: " + (System.currentTimeMillis() - begin));
  }

  public void syncAdd() throws InterruptedException {
    long begin = System.currentTimeMillis();
    Thread[] threads = new Thread[THREAD_NUM];
    for (int i = 0; i < THREAD_NUM; i++) {
      threads[i] = new Thread(new Runnable() {
        public void run() {
          while (syncI < MAX_VALUE) {
            synchronized ("syncI") {
              ++syncI;
            }
          }
        }
      });
      threads[i].start();
    }
    for (int j = 0; j < THREAD_NUM; j++)
      threads[j].join();
    System.out.println("sync costs time: " + (System.currentTimeMillis() - begin));
  }
}

在我的雙核cpu上運行,結(jié)果如下:

可見在不同的線程下,采用CAS計算消耗的時間遠多于使用synchronized方式。原因在于第15行

14           while (casI.get() < MAX_VALUE) {
15             casI.getAndIncrement();
16           }

的操作是一個耗時非常少的操作,15行執(zhí)行完之后會立刻進入循環(huán),繼續(xù)執(zhí)行,從而導致線程沖突嚴重。

三、改進的CAS使用場景

為了解決上述問題,只需要讓每一次循環(huán)執(zhí)行的時間變長,即可以大幅減少線程沖突。修改代碼如下:

 

public class CASDemo {
  private final int THREAD_NUM = 1000;
  private final int MAX_VALUE = 1000;
  private AtomicInteger casI = new AtomicInteger(0);
  private int syncI = 0;
  private String path = "/Users/pingping/DataCenter/Books/Linux/Linux常用命令詳解.txt";

  public void casAdd2() throws InterruptedException {
    long begin = System.currentTimeMillis();
    Thread[] threads = new Thread[THREAD_NUM];
    for (int i = 0; i < THREAD_NUM; i++) {
      threads[i] = new Thread(new Runnable() {
        public void run() {
          while (casI.get() < MAX_VALUE) {
            casI.getAndIncrement();
            try (InputStream in = new FileInputStream(new File(path))) {
                while (in.read() != -1);
            } catch (IOException e) {
              e.printStackTrace();
            }
          }
        }
      });
      threads[i].start();
    }
    for (int j = 0; j < THREAD_NUM; j++)
      threads[j].join();
    System.out.println("CAS Random costs time: " + (System.currentTimeMillis() - begin));
  }

  public void syncAdd2() throws InterruptedException {
    long begin = System.currentTimeMillis();
    Thread[] threads = new Thread[THREAD_NUM];
    for (int i = 0; i < THREAD_NUM; i++) {
      threads[i] = new Thread(new Runnable() {
        public void run() {
          while (syncI < MAX_VALUE) {
            synchronized ("syncI") {
              ++syncI;
            }
            try (InputStream in = new FileInputStream(new File(path))) {
              while (in.read() != -1);
            } catch (IOException e) {
              e.printStackTrace();
            }
          }
        }
      });
      threads[i].start();
    }
    for (int j = 0; j < THREAD_NUM; j++)
      threads[j].join();
    System.out.println("sync costs time: " + (System.currentTimeMillis() - begin));
  }
}

 

在while循環(huán)中,增加了一個讀取文件內(nèi)容的操作,該操作大概需要耗時40ms,從而可以減少線程沖突。測試結(jié)果如下:

可見在資源沖突比較小的情況下,采用CAS方式和synchronized同步效率差不多。為什么CAS相比synchronized沒有獲得更高的性能呢?

測試使用的jdk為1.7,而從jdk1.6開始,對鎖的實現(xiàn)引入了大量的優(yōu)化,如鎖粗化(Lock Coarsening)、鎖消除(Lock Elimination)、輕量級鎖(Lightweight Locking)、偏向鎖(Biased Locking)、適應性自旋(Adaptive Spinning)等技術(shù)來減少鎖操作的開銷。而其中自旋鎖的原理,類似于CAS自旋,甚至比CAS自旋更為優(yōu)化。具體內(nèi)容請參考 深入JVM鎖機制1-synchronized。

四、總結(jié)

1、使用CAS在線程沖突嚴重時,會大幅降低程序性能;CAS只適合于線程沖突較少的情況使用。

2、synchronized在jdk1.6之后,已經(jīng)改進優(yōu)化。synchronized的底層實現(xiàn)主要依靠Lock-Free的隊列,基本思路是自旋后阻塞,競爭切換后繼續(xù)競爭鎖,稍微犧牲了公平性,但獲得了高吞吐量。在線程沖突較少的情況下,可以獲得和CAS類似的性能;而線程沖突嚴重的情況下,性能遠高于CAS。

以上這篇Java并發(fā)編程總結(jié)——慎用CAS詳解就是小編分享給大家的全部內(nèi)容了,希望能給大家一個參考,也希望大家多多支持腳本之家。

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