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(java并发)CAS操作原理以及Atomic的原理

2016-11-28 00:00 381 查看
CAS操作可以分为以下三个步骤:

步骤1.读旧值(即从系统内存中读取所要使用的变量的值,例如:读取变量i的值)

步骤2.求新值(即对从内存中读取的值进行操作,但是操作后不修改内存中变量的值,例如:i=i+1,这一步只进行i+1,没有赋值,不对内存中的i进行修改)

步骤3.两个不可分割的原子操作

第一步:比较内存中变量现在的值与最开始读的旧值是否相同(即从内存中重新读取i的值,与一开始读取的i进行比较)

第二步:如果这两个值相同的话,则将求得的新值写入内存中(即:i=i+1,更改内存中的i的值)

如果这两个值不相同的话,则重复步骤1开始

注:这两个操作是不可分割的原子操作,必须两个同时完成

CAS操作

CAS是单词compareandset的缩写,意思是指在set之前先比较该值有没有变化,只有在没变的情况下才对其赋值。

我们常常做这样的操作

if(a==b){ a++; }
试想一下如果在做a++之前a的值被改变了怎么办?a++还执行吗?出现该问题的原因是在多线程环境下,a的值处于一种不定的状态。采用锁可以解决此类问题,但CAS也可以解决,而且可以不加锁。

intexpect=a; if(a.compareAndSet(expect,a+1)){ doSomeThing1(); }else{ doSomeThing2(); }

这样如果a的值被改变了a++就不会被执行。

按照上面的写法,a!=expect之后,a++就不会被执行,如果我们还是想执行a++操作怎么办,没关系,可以采用while循环

while(true){ intexpect=a; if(a.compareAndSet(expect,a+1)){ doSomeThing1(); return; }else{ doSomeThing2(); } }
采用上面的写法,在没有锁的情况下实现了a++操作,这实际上是一种非阻塞算法。

应用

Java.util.concurrent.atomic包中几乎大部分类都采用了CAS操作,以AtomicInteger为例,看看它几个主要方法的实现:

publicfinalintgetAndSet(intnewValue){ for(;;){ intcurrent=get(); if(compareAndSet(current,newValue)) returncurrent; } }
getAndSet方法JDK文档中的解释是:以原子方式设置为给定值,并返回旧值。原子方式体现在何处,就体现在compareAndSet上,看看compareAndSet是如何实现的:

publicfinalbooleancompareAndSet(intexpect,intupdate){ returnunsafe.compareAndSwapInt(this,valueOffset,expect,update); }
不出所料,它就是采用的Unsafe类的CAS操作完成的。




再来看看a++操作是如何实现的:

publicfinalintgetAndIncrement(){
for(;;){
intcurrent=get();
intnext=current+1;
if(compareAndSet(current,next))
returncurrent;
}
}
几乎和最开始的实例一模一样,也是采用CAS操作来实现自增操作的。


++a操作和a++操作类似,只不过返回结果不同罢了

publicfinalintincrementAndGet(){
for(;;){
intcurrent=get();
intnext=current+1;
if(compareAndSet(current,next))
returnnext;
}
}
此外,java.util.concurrent.ConcurrentLinkedQueue类全是采用的非阻塞算法,里面没有使用任何锁,全是基于CAS操作实现的。CAS操作可以说是JAVA并发框架的基础,整个框架的设计都是基于CAS操作的。

缺点:

1、ABA问题

CAS操作容易导致ABA问题,也就是在做a++之间,a可能被多个线程修改过了,只不过回到了最初的值,这时CAS会认为a的值没有变。a在外面逛了一圈回来,你能保证它没有做任何坏事,不能!!也许它讨闲,把b的值减了一下,把c的值加了一下等等,更有甚者如果a是一个对象,这个对象有可能是新创建出来的,a是一个引用呢情况又如何,所以这里面还是存在着很多问题的,解决ABA问题的方法有很多,可以考虑增加一个修改计数,只有修改计数不变的且a值不变的情况下才做a++,也可以考虑引入版本号,当版本号相同时才做a++操作等,这和事务原子性处理有点类似!

2、比较花费CPU资源,即使没有任何争用也会做一些无用功。

3、会增加程序测试的复杂度,稍不注意就会出现问题。

总结:

可以用CAS在无锁的情况下实现原子操作,但要明确应用场合,非常简单的操作且又不想引入锁可以考虑使用CAS操作,当想要非阻塞地完成某一操作也可以考虑CAS。不推荐在复杂操作中引入CAS,会使程序可读性变差,且难以测试,同时会出现ABA问题。
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