JavaEE:多线程进阶(CAS)

文章目录

CAS
- [什么是 CAS](#什么是 CAS)
- - [CAS 伪代码](#CAS 伪代码)
- CAS有哪些应用
- CAS的ABA问题

CAS

什么是 CAS

CAS: 全称Compare and swap，字面意思:"比较并交换"，一个 CAS 涉及到以下操作:

我们假设内存中的原数据V，旧的预期值A，需要修改的新值B。

比较 A 与 V 是否相等。（比较）
如果比较相等，将 B 写入V。（交换）
返回操作是否成功。

CAS 伪代码

下面写的代码不是原子的, 真实的 CAS 是⼀个原子的硬件指令完成的. 这个伪代码只是辅助理解 CAS的工作流程.

c 复制代码

    boolean CAS(address, expectValue, swapValue) {
        if (&address == expectedValue){
            &address = swapValue;
            return true;
        }
        return false;
    }

两种典型的不是"原子性"的代码:

check and set (if 判定然后设定值)[上面的CAS就是这种形式]
read and update (i++)

当多个线程同时对某个资源进行CAS操作,只能有一个线程操作成功,但是并不会阻塞其他线程,其他线程只会收到操作失败的信号.

CAS是乐观锁的一种实现方式

CAS有哪些应用

实现原子类

标准库中提供了java.util.concurrent.atomic包,里面的类都是这种方式来实现的.

典型的就是AtomicInteger类,其中的getAndIncrement相当于i++操作
java 复制代码
```
AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);
// 相当于 i++
atomicInteger.getAndIncrement();
```
伪代码实现:
java 复制代码
```
class AtomicInteger {
	private int value;

	public int getAndIncrement() {
		int oldValue = value;
		while( CAS( value, oldValue, oldValue+1) != true ) {
			oldValue = value;
		}
		return oldValue;
	}
}
```
假设两个线程同时调用getAndIncrement
1. 两个线程都读取value的值到oldValue中.(oldValue是一个局部变量,在栈上,每个线程有自己的栈)
2. 线程1先执行CAS操作.由于oldValue和value的值相同,直接进行对value赋值.
CAS是直接读写内存的,而不是操作寄存器.

CAS的读内存,比较,写内存操作是一条硬件指令,是原子的.
1. 线程2再执行CAS操作,第一次CAS的时候发现oldValue和value不相等,不能进行赋值,因此需要进入循环.
在循环里重新获取value的值赋给oldValue
1. 线程2接下来第二次执行CAS,此时oldValue和value相同,于是直接执行赋值操作.
2. 线程1和线程2返回各自的oldValue的值即可.
通过形如上述代码就可以实现一个原子类.不需要使用重量级锁,就可以高效的完成多线程的自增操作.

本来check and set 这样的操作在代码角度不是原子的,但是在硬件层面上可以让一条指令完成这个操作,也就变成原子的了

实现自旋锁

基于CAS实现更灵活的锁,获取到更多的控制权.

自旋锁伪代码

java 复制代码

public class SpinLock {
	private Thread owner = null;
	public void lock(){
		// 通过 CAS 看当前锁是否被某个线程持有. 
		// 如果这个锁已经被别的线程持有, 那么就⾃旋等待. 
		// 如果这个锁没有被别的线程持有, 那么就把 owner 设为当前尝试加锁的线程. 
		while(!CAS(this.owner, null, 	Thread.currentThread())){
		}
	}
	public void unlock (){
 		this.owner = null;
 	}
}

CAS的ABA问题

什么是ABA问题

ABA问题:

假设存在两个线程t1和t2,有一个共享变量num,初始值为A.

接下来,线程t1想使用CAS把num的值改成Z,那么就需要

先读取num的值,记录到oldNum变量中
使用CAS判定当前num的值是否为A,如果为A,就修改成Z.
但是,在t1执行这两个操作之间,t2线程可能把num的值从A改成了B,又从B改成了A.

线程t1的CAS是期望num不变就修改.但是num的值已经被t2给修改了,只不过又改成A了,这个时候t1究竟是否要更新num的值为Z呢?

到这一步,t1线程无法区分当前这个变量始终是A,还是经历了一个变化过程.

ABA问题带来的BUG

大部分的情况下,t2线程这样的一个反复横跳改动,对于t1是否修改num是没有影响的,但是不排除一些特殊情况.

假设我有100存款,我想从ATM取50.取款机创建了两个线程,并发的来执行-50操作.

我们期望一个线程执行-50成功,另一个线程-50失败.

如果使用CAS的方式来完成这个扣款的过程就可能会出现问题.

正常的过程

存款100.线程1获取到当前存款值为100,期望更新为50;线程2获取到当前存款值为100,期望更新为50.
线程1执行扣款成功,存款被改成50,线程2阻塞等待中.
轮到线程2执行了,发现当前存款为50,和之前读到的100不相同,执行失败.

异常的过程

存款100.线程1获取到当前存款值为100,期望更新为50;线程2获取到当前存款值为100,期望更新为50.
线程1执行扣款成功,存款被改成50,线程2阻塞等待中.
在线程2执行之前,我的朋友正好给我转了50,于是我的账户余额就变成了100!
轮到线程2执行了,发现当前存款为100,和之前读到的100相同,再次执行扣款操作

这个时候,扣款操作被执行了两次!都怪ABA!!!

解决方案

通过CAS也不是不能解决上述问题.

ABA是因为"余额"能加也能减,才会有ABA问题,如果只能加,不能减就可以解决上述问题.

哎呀,你这不是废话吗,余额怎么可能只加不减?!

别急,余额确实不可能,但是我们可以新建一个变量,让它只增不减.给它起个名字,就叫"版本号"好了.

具体操作如下:

我们可以给要修改的值,引入版本号,在CAS比较数据和当前值和旧值的同时,也要比较版本号是否符合预期.

如果当前版本号和读到的版本号相同,则修改数据,并把版本号+1.
如果当前版本号高于读到的版本号,那就操作失败(认为数据已经被修改过了)

在Java标准库中提供了AtomicStampedReference<E>类,这个类可以对某个类进行包装,在内部就提供了上面描述的版本管理功能.

本文到这里就结束啦~