对CAS的一点个人理解
2018-03-10 12:45
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在Java中,JDK 1.5之后可以使用CAS(Compare-and-Swap)操作。CAS的思想就是:先将旧期待值与主内存中值作比较,如果相同,那么就接受新的值,否则就不进行任何操作,这种处理过程是一个原子操作。
CAS帮助我们实现非阻塞同步策略,这是一种乐观并发策略,乐观就是指它总是假设其他线程不会打扰自己,所以会先进行操作,如果有冲突,再采取一定措施,比如一直重试直到成功为止。这种策略的实现大多不需要将线程挂起,所以是非阻塞的同步策略。
Java的CAS操作由Unsafe类的compareAndSwapXXX()方法实现,而这些方法被虚拟机做了一些处理,使得编译后的结果相当于一条CAS指令,所以没有方法调用的过程。
我们可以从AtomicInteger这个类中的getAndIncrement()方法来看一下CAS在Java中的应用,
不过在JDK 1.7和1.8中getAndIncrement()方法的实现是有点不一样的
先看一下再JDK 1.7中
实现很简单,就是在一个无限for循环中,不断将当前值 + 1赋给next,执行compareAndSet(current, next)时会调用Unsafe类的.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update)方法,通过CAS判断是否允许更新,如果compareAndSet返回false,就说明执行CAS时主存中的值已经有了变化,current和主存中值不一致,所以现在不允许更新,继续循环,直到成功为止。
JDK 1.8
而JDK 1.8中直接使用了Unsafe类的getAndAddInt()方法,而在JDK 1.7中Unsafe类是没有这个方法的。
为了更深入理解CAS无锁算法,我们再具体分析一下在JDK 1.8中的AtomicInteger是怎样实现并发累加的
java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger
sun.misc.Unsafe
现在有两个线程,线程1和线程2同时执行getAndAdd
假设主存中有value = 1,线程1和2都去拿了这个value,分别做了拷贝在自己的工作内存中。
线程1执行到getIntVolatile,得到了value = 1,然后就被阻塞了。
线程2现在也执行到了getIntVolatile,得到了value = 1,然后开始对value进行累加操作,如果compareAndSwapInt返回true,则累加成功,很明显,现在线程2通过CAS操作比较旧值和内存中值都是1,是相等的,所以可以修改成功,现在主存中value = 2。
这时线程1被唤醒,继续执行compareAndSwapInt,会发现旧值value = 1和主存中值value = 2不一致,则CAS操作返回false,线程1只能继续尝试。
线程1继续尝试的过程中,因为value是被volatile修饰的,可以保证value值的更新能及时被线程1看到,所以现在线程1看的到的主存中的value = 2,接下来就可以CAS成功了。
到这里我们简单的了解了一下CAS这个无锁算法,可以看到这种操作可以避免阻塞同步,但是也存在一些问题,比如“ABA”问题,当一个变量初次读值时是A,后来赋值时检查到它还是A,但是你不能保证在这之间不会出现A->B->A这种情况,这时CAS操作会认为这个值没有改变过,但实际上是改变了,只不过是又改回原值了。那么这个问题后来是采用这种方式解决的:通过在值的前面加上版本号来保证CAS的正确性,有了版本号,那么再出现A->B->A这样的情况就可以判断得出来了。
CAS帮助我们实现非阻塞同步策略,这是一种乐观并发策略,乐观就是指它总是假设其他线程不会打扰自己,所以会先进行操作,如果有冲突,再采取一定措施,比如一直重试直到成功为止。这种策略的实现大多不需要将线程挂起,所以是非阻塞的同步策略。
Java的CAS操作由Unsafe类的compareAndSwapXXX()方法实现,而这些方法被虚拟机做了一些处理,使得编译后的结果相当于一条CAS指令,所以没有方法调用的过程。
我们可以从AtomicInteger这个类中的getAndIncrement()方法来看一下CAS在Java中的应用,
不过在JDK 1.7和1.8中getAndIncrement()方法的实现是有点不一样的
先看一下再JDK 1.7中
public final int More ...getAndIncrement() { for (;;) { int current = get(); int next = current + 1; if (compareAndSet(current, next)) return current; } }
实现很简单,就是在一个无限for循环中,不断将当前值 + 1赋给next,执行compareAndSet(current, next)时会调用Unsafe类的.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update)方法,通过CAS判断是否允许更新,如果compareAndSet返回false,就说明执行CAS时主存中的值已经有了变化,current和主存中值不一致,所以现在不允许更新,继续循环,直到成功为止。
JDK 1.8
public final int getAndIncrement() { return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1); }
而JDK 1.8中直接使用了Unsafe类的getAndAddInt()方法,而在JDK 1.7中Unsafe类是没有这个方法的。
为了更深入理解CAS无锁算法,我们再具体分析一下在JDK 1.8中的AtomicInteger是怎样实现并发累加的
java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger
...... private volatile int value; ...... public final int getAndAdd(int delta) { return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta); }
sun.misc.Unsafe
public final int More ...getAndAddInt(Object o, long offset, int delta) { int v; do { v = getIntVolatile(o, offset); } while (!compareAndSwapInt(o, offset, v, v + delta)); return v; }
现在有两个线程,线程1和线程2同时执行getAndAdd
假设主存中有value = 1,线程1和2都去拿了这个value,分别做了拷贝在自己的工作内存中。
线程1执行到getIntVolatile,得到了value = 1,然后就被阻塞了。
线程2现在也执行到了getIntVolatile,得到了value = 1,然后开始对value进行累加操作,如果compareAndSwapInt返回true,则累加成功,很明显,现在线程2通过CAS操作比较旧值和内存中值都是1,是相等的,所以可以修改成功,现在主存中value = 2。
这时线程1被唤醒,继续执行compareAndSwapInt,会发现旧值value = 1和主存中值value = 2不一致,则CAS操作返回false,线程1只能继续尝试。
线程1继续尝试的过程中,因为value是被volatile修饰的,可以保证value值的更新能及时被线程1看到,所以现在线程1看的到的主存中的value = 2,接下来就可以CAS成功了。
到这里我们简单的了解了一下CAS这个无锁算法,可以看到这种操作可以避免阻塞同步,但是也存在一些问题,比如“ABA”问题,当一个变量初次读值时是A,后来赋值时检查到它还是A,但是你不能保证在这之间不会出现A->B->A这种情况,这时CAS操作会认为这个值没有改变过,但实际上是改变了,只不过是又改回原值了。那么这个问题后来是采用这种方式解决的:通过在值的前面加上版本号来保证CAS的正确性,有了版本号,那么再出现A->B->A这样的情况就可以判断得出来了。
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