詳解Java中CAS機(jī)制的原理與優(yōu)缺點(diǎn)
什么是 CAS 機(jī)制
CAS 英文就是 compare and swap ,也就是比較并交換,首先它是一個原子操作,可以避免被其他線程打斷。在Java并發(fā)中,最初接觸的應(yīng)該就是synchronized
關(guān)鍵字了,但是synchronized
屬于重量級鎖,很多時候會引起性能問題,雖然在新的JDK中對其已經(jīng)進(jìn)行了優(yōu)化。volatile
也是個不錯的選擇,但是volatile
不能保證原子性,只能在某些場合下使用。那么問題來了,這個 CAS 機(jī)制是怎么在不加鎖的情況下來保證共享資源的互斥呢?
synchronized補(bǔ)充:首先,synchronized會對第一個線程會有偏向,所以會給第一個線程添加偏向鎖,如果偏向鎖有其他線程來競爭時,這個鎖會升級,變成輕量級鎖(多數(shù)情況下是自旋鎖),再如果這個鎖在一定次內(nèi)還是拿不到共享資源,這個輕量級的鎖會進(jìn)一步升級,成為重量級鎖。
共享資源:通俗來講就是指那些可以被多個不同線程一起使用的數(shù)據(jù)。
首先先來看一個例子
當(dāng)有很多個線程同時訪問一個貢獻(xiàn)資源時,無法保證的貢獻(xiàn)資源只被一個線程使用,如果要保證只有一個線程使用時,最先想到的一般就是加鎖。當(dāng)然先看不加鎖的情況:
static volatile int NUMBER = 0; //volatile可以保證我們每次取值都是取內(nèi)存的值(最新值),而不是取棧里面的緩存值 private static void add() throws InterruptedException { Thread.sleep(5); //模擬線程處理數(shù)據(jù) NUMBER++; } public static void main(String[] args) throws InterruptedException { CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(100);//柵欄,底層為AQS實(shí)現(xiàn),當(dāng)里面值變?yōu)?時,柵欄才打開繼續(xù)運(yùn)行下面代碼 Long start = System.currentTimeMillis(); for (int i = 0; i < 100; i++){ new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { for (int j = 0; j<100; j++){ try { add(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } countDownLatch.countDown(); } }).start(); } countDownLatch.await();//等待所有線程運(yùn)行完 System.out.println("最后執(zhí)行結(jié)果:" + NUMBER + "。執(zhí)行時間為:" + (System.currentTimeMillis() - start) + "ms"); } //最后執(zhí)行結(jié)果:9637。執(zhí)行時間為:600ms
首先要剖析add方法里面的代碼,一方面在方法上加了鎖,導(dǎo)致線程只能串行化,而且線程在方法中sleep了5毫秒,才進(jìn)行NUMBER++,另一方面**在進(jìn)行NUMBER++中,NUMBER++也并非原子操作。**看到代碼的注釋:
private synchronized static void add() throws InterruptedException { Thread.sleep(5); /** * NUMBER++ 被拆分成三步 * 1、從內(nèi)存中獲取 NUMBER 的值,賦給 A : A = NUMBER * 2、對 A 進(jìn)行 +1 得到 B: B = A + 1 * 3、把 B 的值寫回 NUMBER:NUMBER = B * 在不加鎖的情況下,如果有A.B兩個線程同時執(zhí)行count++,他們通知執(zhí)行到上面步驟的第一步,得到count是一樣的,而當(dāng)?shù)?3 步操作結(jié)束后,count只加1,導(dǎo)致count結(jié)果不一致 */ NUMBER++; } //最后執(zhí)行結(jié)果:10000。執(zhí)行時間為:56534ms
理清 JVM 的運(yùn)行過程,可以發(fā)現(xiàn)其實(shí)把鎖加在第三步就行,這樣可以保證原子性夠小,但是要怎么做呢?(重點(diǎn))
CAS(compare and swap) 就是一種樂觀鎖,比較和交換,原理是: 它有3個操作數(shù),內(nèi)存值 V,舊的期望值 expectNumber,要修改的新值 newNumber。當(dāng)且僅當(dāng)預(yù)期值A(chǔ)和內(nèi)存值V相同時(比較),它就認(rèn)為這個期間沒有人來訪問過這個貢獻(xiàn)資源。所以就把這個值改為新值(交換)。
static volatile int NUMBER = 0;//共享資源 private static void add() throws InterruptedException { Thread.sleep(5); /** * NUMBER++ 被拆分成三步 * 1、從內(nèi)存中獲取 NUMBER 的值,賦給 A : A = NUMBER * 2、對 A 進(jìn)行 +1 得到 B: B = A + 1 * 3、把 B 的值寫回 NUMBER:NUMBER = B * 升級第三步: * 1、獲取鎖 * 2、獲取 NUMBER 的最新值,記作LV * 3、判斷 LV 是否等于 A,如果相等,則將 B 的值賦給NUMBER,并且返回true,如果不相等返回false,線程再自旋請求修改值 */ int expectNumber; for (;;)//自旋修改,知道修改成功 if (compareAndSwap((expectNumber=getNumber()),expectNumber+1)) break; } /** * 模擬底層 sun.misc.Unsafe 的 compareAndSwap 方法,所以這里我加了鎖,底層并不是加鎖,它的底層是native修飾的,是方法區(qū)的方法,由C或者C++寫的,它是對數(shù)據(jù)總線加鎖,synchronized是對字節(jié)碼加鎖。 * @param expectNumber 期望值 * @param newNumber 要交換的值 * @return 返回交換是否成功 */ public static synchronized boolean compareAndSwap(int expectNumber, int newNumber){ if (expectNumber == getNumber()){ NUMBER = newNumber; return true; } return false; } public static int getNumber(){return NUMBER;} //最后執(zhí)行結(jié)果:10000。執(zhí)行時間為:596ms
來看看 JDK 對 CAS 的支持
首先,上面模擬的 compareAndSwap 其實(shí)是再 sun.misc.Unsafe 包里面的,JDK 并不希望開發(fā)者去使用這個包,這個包里面有三個相關(guān)的方法
public final native boolean compareAndSwapObject(Object var1, long var2, Object var4, Object var5); public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5); public final native boolean compareAndSwapLong(Object var1, long var2, long var4, long var6); //var1:表示要訪問的對象,對象引用地址 //var2:表示偏移量,即屬性再要訪問對象地址的偏移量 //var4:表示要修改的數(shù)據(jù)的期望值 //var5:表示要修改為的新值
CAS 的實(shí)現(xiàn)原理
CAS 通過 JNI(Java Native Interface)的代碼來實(shí)現(xiàn),允許java調(diào)用其他語言。而 compareAndSwap 的方法就是借用C語言來調(diào)用CPU底層的指令(cmpxchg)來實(shí)現(xiàn)的。cmpxchg是一個原子指令,這個指令是給數(shù)據(jù)總線進(jìn)行加鎖,所以是線程安全的。
CAS 其實(shí)也是有缺點(diǎn)的
1、首先就是經(jīng)典的ABA問題
CAS需要在操作值的時候檢查下值有沒有發(fā)生變化,如果沒有發(fā)生變化則更新,但是如果一個值原來是A,變成了B,又變成了A,那么使用CAS進(jìn)行檢查時會發(fā)現(xiàn)它的值沒有發(fā)生變化,但是實(shí)際上卻變化了。這就是CAS的ABA問題。
2、就是循環(huán)時間長開銷大
如果CAS不成功,則會原地自旋,如果長時間自旋會給CPU帶來非常大且沒必要的開銷。
3、只能保證一個共享變量的原子操作
只能保證一個共享變量的原子操作。當(dāng)對一個共享變量執(zhí)行操作時,可以使用循環(huán)CAS的方式來保證原子操作,但是對多個共享變量操作時,循環(huán)CAS就無法保證操作的原子性,這個時候就可以用鎖,或者有一個取巧的辦法,就是把多個共享變量合并成一個共享變量來操作。比如有兩個共享變量 i=2,j=a,合并一下 ij=2a,然后用CAS來操作間。從Java1.5開始DK提供了AtomicRefrence類來保證引用對象之間的原子性,你可以把多個變量放在一個對象里來進(jìn)行CAS操作。
如何解決 ABA 問題
常見的解決思路是使用版本號。在變量前面追加上版本號,每次變量更新的時候把版本號加一,那么A-B-A
就會變成1A-2B-3A
。 目前在JDK的atomic包里提供了一個類AtomicStampedReference
來解決ABA問題。這個類的compareAndSet方法作用是首先檢查當(dāng)前引用是否等于預(yù)期引用,并且當(dāng)前標(biāo)志是否等于預(yù)期標(biāo)志,如果全部相等,則以原子方式將該引用和該標(biāo)志的值設(shè)置為給定的更新值。
//沒有版本號的情況 static AtomicInteger a = new AtomicInteger(1); public static void main(String[] args) throws InterruptedException { System.out.println("初始值:"+a.get()); new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { int expectNum = a.get();//拿到最初的值 int newNum = expectNum+1; try { Thread.sleep(1000); //先休眠一會,保證是最后執(zhí)行的 } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } boolean isSuccess = a.compareAndSet(expectNum, newNum); System.out.println("主線程執(zhí)行結(jié)果:" + isSuccess + ",值為:" + a.get()); } },"主線程").start(); new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { try { Thread.sleep(20); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } a.incrementAndGet(); System.out.println("干擾線程執(zhí)行結(jié)果:" + a.get()); a.decrementAndGet(); System.out.println("干擾線程執(zhí)行結(jié)果:" + a.get()); } },"干擾線程").start(); } /* 初始值:1 干擾線程執(zhí)行結(jié)果:2 干擾線程執(zhí)行結(jié)果:1 主線程執(zhí)行結(jié)果:ture,值為:2*/
上面就是模擬的ABA情況,那么使用AtomicStampedReference
可以怎么解決呢?先看到AtomicStampedReference
里面關(guān)于創(chuàng)建對象和修改版本號和值的 API 。
//initialRef為初始值,initialStamp為初始版本號 public AtomicStampedReference(V initialRef, int initialStamp) { pair = Pair.of(initialRef, initialStamp); } /** * Atomically sets the value of both the reference and stamp * to the given update values if the * current reference is {@code ==} to the expected reference * and the current stamp is equal to the expected stamp. * * @param expectedReference the expected value of the reference 期望的引用 * @param newReference the new value for the reference 引用的新值 * @param expectedStamp the expected value of the stamp 期望的版本號 * @param newStamp the new value for the stamp 新值的版本號 * @return {@code true} if successful */ public boolean compareAndSet(V expectedReference, V newReference, int expectedStamp, int newStamp) { Pair<V> current = pair; return expectedReference == current.reference && expectedStamp == current.stamp && //前兩個判斷當(dāng)前的版本或者當(dāng)前的值是否被改過,改過就直接返回false ((newReference == current.reference && newStamp == current.stamp) //上面兩個判斷當(dāng)前的版本號和新值是否和要修改后的一致,一致就不進(jìn)行修改 //如果不一致,就修改當(dāng)前的版本值和當(dāng)前值 || casPair(current, Pair.of(newReference, newStamp))); }
由于每個過程值都會有對應(yīng)的版本,所以在修改過程中需要傳入期望版本和當(dāng)前的值,數(shù)據(jù)庫的多版本并發(fā)控制也類似,先來看一下修改后的代碼:
static AtomicStampedReference<Integer> a = new AtomicStampedReference(new Integer(1),1); public static void main(String[] args) throws InterruptedException { System.out.println("初始值:"+a.getReference()); new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { //獲取需要的參數(shù) int expectReference = a.getReference(); int newReference = expectReference + 1; int expectStamp = a.getStamp(); int newStamp = expectStamp + 1; try { Thread.sleep(1000);//睡眠保證最后執(zhí)行 } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } //傳入我們之前拿到的期望版本號和期望的值 boolean isSuccess = a.compareAndSet(expectReference, newReference, expectStamp, newStamp); System.out.println("主線程執(zhí)行結(jié)果:" + isSuccess + ",值為:" + a.getReference()); } },"主線程").start(); new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { try { Thread.sleep(20); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } //模擬修改ABA模式 a.compareAndSet(a.getReference(),a.getReference()+1,a.getStamp(),a.getStamp()+1); System.out.println("干擾線程執(zhí)行結(jié)果:" + a.getReference()); a.compareAndSet(a.getReference(),a.getReference()-1,a.getStamp(),a.getStamp()+1); System.out.println("干擾線程執(zhí)行結(jié)果:" + a.getReference()); } },"干擾線程").start(); } /* 初始值:1 干擾線程執(zhí)行結(jié)果:2 干擾線程執(zhí)行結(jié)果:1 主線程執(zhí)行結(jié)果:false,值為:1*/
可以看到執(zhí)行結(jié)果是false,也就是說只要值被動過,就會修改失敗,但是版本號需要人工維護(hù)。當(dāng)然,如果對于業(yè)務(wù)的過程不是很注重的話也不需要去關(guān)注ABA問題,也不需要去維護(hù)版本號,而如果涉及到重要業(yè)務(wù)(轉(zhuǎn)賬),則需要解決ABA問題。
如何解決循環(huán)時間長開銷大問題
自旋CAS如果長時間不成功,會給CPU帶來非常大的執(zhí)行開銷。如果JVM能支持處理器提供的pause指令那么效率會有一定的提升,pause指令有兩個作用,第一它可以延遲流水線執(zhí)行指令(de-pipeline),使CPU不會消耗過多的執(zhí)行資源,延遲的時間取決于具體實(shí)現(xiàn)的版本,在一些處理器上延遲時間是零。第二它可以避免在退出循環(huán)的時候因內(nèi)存順序沖突(memory order violation)而引起CPU流水線被清空(CPU pipeline flush),從而提高CPU的執(zhí)行效率。
總結(jié)
- CAS 可以實(shí)現(xiàn)原子性的操作,說白了就是一個native的API,解決并發(fā)帶來的問題,但是也存在一些自身的問題。
- 如何解決CAS自身帶來的問題。
- 明白他的應(yīng)用,在讀Concurrent包下的類的源碼時,發(fā)現(xiàn)無論是ReenterLock內(nèi)部的AQS(后續(xù)會出博客講到),還是各種Atomic開頭的原子類,內(nèi)部都應(yīng)用到了
CAS
。
到此這篇關(guān)于詳解Java中CAS機(jī)制的原理與優(yōu)缺點(diǎn)的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java CAS機(jī)制內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家!
相關(guān)文章
IDEA中Maven依賴包無法下載或?qū)氲慕鉀Q方案(系統(tǒng)缺失文件導(dǎo)致)
在配置Maven環(huán)境時,可能會遇到各種報錯問題,首先確保Maven路徑配置正確,例如使用apache-maven-3.5.0版本,則需要在系統(tǒng)環(huán)境變量的Path中添加其bin目錄路徑,并上移優(yōu)先級,接下來,在Maven的conf目錄下修改settings.xml文件,將鏡像源改為阿里云2024-09-09spring boot springjpa 支持多個數(shù)據(jù)源的實(shí)例代碼
這篇文章主要介紹了spring boot springjpa 支持多個數(shù)據(jù)源的實(shí)例代碼,需要的朋友可以參考下2018-04-04springboot+Vue實(shí)現(xiàn)分頁的示例代碼
本文主要介紹了springboot+Vue實(shí)現(xiàn)分頁的示例代碼,文中通過示例代碼介紹的非常詳細(xì),對大家的學(xué)習(xí)或者工作具有一定的參考學(xué)習(xí)價值,需要的朋友們下面隨著小編來一起學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)吧2021-06-06如何在Maven項(xiàng)目配置pom.xml指定JDK版本和編碼
maven是個項(xiàng)目管理工具,如果我們不告訴它要使用什么樣的jdk版本編譯,它就會用maven-compiler-plugin默認(rèn)的jdk版本來處理,這樣就容易出現(xiàn)版本不匹配的問題,這篇文章主要給大家介紹了關(guān)于如何在Maven項(xiàng)目配置pom.xml指定JDK版本和編碼的相關(guān)資料,需要的朋友可以參考下2024-01-01