原理剖析(第 004 篇)CAS工作原理分析
2018-03-08 12:42
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原理剖析(第 004 篇)CAS工作原理分析
-一、大致介绍
1、关于多线程竞争锁方面,大家都知道有个CAS和AQS,也正是这两个东西才引申出了大量的线程安全类,锁类等功能; 2、而随着现在的硬件厂商越来越高级,在硬件层面提供大量并发原语给我们Java层面的开发带来了莫大的利好; 3、本章节就和大家分享分析一下CAS的工作原理;
二、原理分析
2.1 何为CAS?
1、CAS,compare and swap的缩写,顾名思义,比较再交换,即 “读取-修改-写操作” 三个步骤为一体原子操作; 2、CAS操作包含三个参数:内存位置(V)、预期值(A)、新值(B); 如果内存位置的值V与预期值A相匹配,那么处理器会自动将该位置值更新为新值B,否则不更新;
2.2 CAS原理
1、CAS通过JNI方式调用底层操作系统的C代码,从而借助底层C代码来调用CPU底层操作指令来实现原子操作; 2、CAS是硬件CPU提供的原语,通过底层cmpxchg原语指令(多处理器再加上Lock指令)实现原子操作;
2.3 CAS核心源码
1、CAS核心源码: // Adding a lock prefix to an instruction on MP machine // VC++ doesn't like the lock prefix to be on a single line // so we can't insert a label after the lock prefix. // By emitting a lock prefix, we can define a label after it. #define LOCK_IF_MP(mp) __asm cmp mp, 0 \ __asm je L0 \ __asm _emit 0xF0 \ __asm L0: inline jint Atomic::cmpxchg (jint exchange_value, volatile jint* dest, jint compare_value) { // alternative for InterlockedCompareExchange int mp = os::is_MP(); __asm { mov edx, dest mov ecx, exchange_value mov eax, compare_value LOCK_IF_MP(mp) // 如果是多处理器的话,则需要添加Lock前缀指令,Lock的方式和Volatile的实现方式雷同 cmpxchg dword ptr [edx], ecx // } } 2、通过上述源码可以发现该cmpxchg方法会自动判断当前是否是多处理器,多处理器的话则添加lock前缀指令,反之省略lock前缀; 3、至于lock是怎么保证多处理器的一致性的话,原理和Volatile雷同,请移步看看[原理剖析(第 001 篇)Volatile工作原理分析];
三、CAS缺点
3.1、ABA问题
1、并发操作时,容易引起ABA问题; 假设i初始值i=5,A线程做i++操作一次,B线程做i--操作一次,C线程通过判断i=5时则对i进行更新新值; 2、这个时候C线程会认为i还是处于初始值,未被做过修改,但是殊不知AB线程已经都对i进行修改了一次; 3、为了解决这种线程,需要让C知道i已经被修改过了,因此在Java1.5引进了一个AtomicStampedReference类来解决ABA问题; 4、AtomicStampedReference这个类主要是给变量追加了版本号信息,每次变量更新的话版本号都会自增加一; 5、但是有的人会认为AtomicMarkableReference也能解决ABA问题,其实不能根本解决只能在最大程度上降低ABA问题的出现; 因为它是通过一个boolean来标记是否更改,本质就是只有true和false两种版本来回切换,只能降低ABA问题发生的几率,并不能阻止ABA问题的发生;
3.2、开销大
1、随便拿个CAS的Java层代码: public final int getAndSetInt(Object var1, long var2, int var4) { int var5; do { var5 = this.getIntVolatile(var1, var2); } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var4)); return var5; } 2、通过这段代码发现,如果CAS操作一直不成功的话,那么该段代码就一直在自旋操作,会给CPU带来比较大的执行开销;
3.3、原子操作约束
1、目前的CAS只能保证单个共享变量的原子操作; 2、但是对多个变量进行操作时,CAS无法保证,但是可以将多个变量封装成一个新的对象,利用AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性;
四、总结
1、我们可以在一些非常简单的操作且又不想引入锁的场景下采用CAS实现原子操作; 2、然而想要进行非阻塞的完成某些场景也可以考虑采用CAS进行原子操作; 3、但是不推荐在非常复杂的操作中引入CAS,一来会使程序可读性变差,二来且难以测试且会出现ABA问题。
五、下载地址
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