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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