JAVA并发编程(二):理解CAS机制

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也许大家已经听说过,锁分两种,一个叫悲观锁,一种称之为乐观锁。Synchronized就是悲观锁的一种,也称之为独占锁,加了synchronized关键字的代码基本上就只能以单线程的形式去执行了,它会导致其他需要该资源的线程挂起,直到前面的线程执行完毕释放所资源。而另外一种乐观锁是一种更高效的机制,它的原理就是每次不加锁去执行某项操作,如果发生冲突则失败并重试,直到成功为止,其实本质上不算锁,所以很多地方也称之为自旋。

一、并发编程中的原子性问题

在上篇JAVA并发编程(一):理解volatile关键字的结尾留了一个原子性的问题:

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/*
* i++ 的原子性问题:i++ 的操作实际上分为三个步骤“读-改-写”
* int i = 10;
* i = i++; //10
*
* int temp = i;
* i = i + 1;
* i = temp;
*/
public class TestAtomicDemo {

public static void main(String[] args) {
AtomicDemo ad = new AtomicDemo();

for (int i = 0; i < 10; i++) {
new Thread(ad).start();
}
}

}

class AtomicDemo implements Runnable{

private volatile int serialNumber = 0;

@Override
public void run() {

try {
Thread.sleep(200);
} catch (InterruptedException e) {
}

System.out.println(getSerialNumber());
}

public int getSerialNumber(){
return serialNumber++;
}
}

运行结果并不总是0-10。要想解决这个问题,你可能会说加Synchronized同步锁:加了同步锁之后,serialNumber++操作变成了原子性操作,所以最终的输出一定是0-9,代码实现了线程安全。

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public static void main(String[] args) {
AtomicDemo ad = new AtomicDemo();

for (int i = 0; i < 10; i++) {
synchronized (TestAtomicDemo.class) {
new Thread(ad).start();
}
}
}

但是众所周知的是Synchronized同步锁比较耗费性能,在某些情况下并不是一个好的选择,那有没有什么好的办法呢?在JDK1.5之后,java.util.concurrent.atomic包下为我们封装了常用的原子变量,他们底层就是使用了CAS(compare and swap)算法来保证原子性,我们将上面例子中的serialNumber改为使用AtomicInteger修饰,然后运行发现也可以得到正确的结果。

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//	private volatile int serialNumber = 0;

private AtomicInteger serialNumber = new AtomicInteger(0);

二、什么是CAS?

CAS是英文单词Compare And Swap的缩写,翻译过来就是比较并替换。
CAS机制当中使用了3个基本操作数:内存地址V,旧的预期值A,要修改的新值B。
更新一个变量的时候,只有当变量的预期值A和内存地址V当中的实际值相同时,才会将内存地址V对应的值修改为B。
来看一个例子:
我们现在有两个线程:
1.在内存地址V当中,存储着值为10的变量。
2.此时线程1想要把变量的值增加1。对线程1来说,旧的预期值A=10,要修改的新值B=11。
3.在线程1要提交更新之前,另一个线程2抢先一步,把内存地址V中的变量值率先更新成了11。
4.线程1开始提交更新,首先进行A和地址V的实际值比较(Compare),发现A不等于V的实际值,提交失败。
5.线程1重新获取内存地址V的当前值,并重新计算想要修改的新值。此时对线程1来说,A=11,B=12。这个重新尝试的过程被称为自旋。
6.这一次比较幸运,没有其他线程改变地址V的值。线程1进行Compare,发现A和地址V的实际值是相等的。
7.线程1进行SWAP,把地址V的值替换为B,也就是12。
从思想上来说,Synchronized属于悲观锁,悲观地认为程序中的并发情况严重,所以严防死守。CAS属于乐观锁,乐观地认为程序中的并发情况不那么严重,所以让线程不断去尝试更新。

三、CAS的缺点

CAS机制这么巧妙,是不是在任何地方都比同步锁要好?然而并不是这样的,CAS机制有以下几个问题:

  • CPU开销较大
    在并发量比较高的情况下,如果许多线程反复尝试更新某一个变量,却又一直更新不成功,循环往复,会给CPU带来很大的压力。
  • 不能保证代码块的原子性
    CAS机制所保证的只是一个变量的原子性操作,而不能保证整个代码块的原子性。比如需要保证3个变量共同进行原子性的更新,就不得不使用Synchronized了。
  • ABA问题
    什么是ABA呢?简单说就是一个值从A改成了B,又从B改成了A。
    1.假设内存中有一个值为A的变量,存储在地址V当中。
    2.此时有三个线程想使用CAS的方式更新这个变量值,每个线程的执行时间有略微的偏差。线程1和线程2已经获得当前值,线程3还未获得当前值。
    3.接下来,线程1先一步执行成功,把当前值成功从A更新为B;同时线程2因为某种原因被阻塞住,没有做更新操作;线程3在线程1更新之后,获得了当前值B。
    4.再之后,线程2仍然处于阻塞状态,线程3继续执行,成功把当前值从B更新成了A。
    5.最后,线程2终于恢复了运行状态,由于阻塞之前已经获得了“当前值”A,并且经过compare检测,内存地址V中的实际值也是A,所以成功把变量值A更新成了B。
    6.这个过程中,线程2获取到的变量值A是一个旧值,尽管和当前的实际值相同,但内存地址V中的变量已经经历了A->B->A的改变。
    从表面看起来运行结果好像没什么问题,但是结合实际情况就会出现问题了。比如取款时有可能发生两个线程同时扣款成功的情况。所以,真正要做到严谨的CAS机制,我们在Compare阶段不仅要比较期望值A和地址V中的实际值,还要比较变量的版本号是否一致。
    在Java当中,AtomicStampedReference类就实现了用版本号做比较的CAS机制。

    参考文章

  • 漫画:什么是 CAS 机制?


本文作者: catalinaLi
本文链接: http://catalinali.top/2018/helloCAS/

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