CAS问题

什么是CAS

CAS
全称Compare and swap(比较并交换)

解释
寄存器A的值和内存B的值进行比较,如果值相同,就把寄存器C的值和内存B的值进行交换

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伪代码解析

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

解释

if ( &address == expectedValue)
如果寄存器A的值和内存B的值相等

&address = swapValue
将寄存器C的值与内存B的值交换

注意
上述代码只是伪代码,用来理解CAS的执行过程
针对上述代码,多线程情况下可能会引起安全问题
而CAS是原子性的,故不会引起安全问题

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CAS是如何实现原子性的

基于硬件(CPU)实现的原子性

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CAS的应用

实现原子类

基于 java.util.concurrent.atomic 包中的类
一个典型的代表就是 AtomicInteger 类

举个栗子

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        AtomicInteger num = new AtomicInteger(0);
        int n = 50_000;

        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < n; i++) {
            	//num++
                num.getAndIncrement();
            }
        }, "t1线程");

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < n; i++) {
            	//num++
                num.getAndIncrement();
            }
        }, "t2线程");

        t1.start();
        t2.start();

        t1.join();
        t2.join();

        System.out.println(num);

}

针对上述代码
如果是非原子的自增操作(num++),就可能存在线程安全问题
但是由于CAS本身就是原子的,所以不会存在线程安全问题

也就是说,CAS操作可以不用加锁就能够解决线程安全问题

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实现自旋锁

伪代码解析

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;
   }
}

解释

Thread owner = null 代表当前的锁没有被线程持有

while(!CAS(this.owner, null, Thread.currentThread()))
Thread.currentThread() 代表当前线程
null 代表空
this.owner 代表当前锁

如果当前 owner 是null,就把当前线程的引用设置到 owner(加锁),循环结束

如果当前 owner 不是null,代表已经有其他线程加锁成功
此时就一直进行循环比较,不停的尝试加锁(速度很快)

public void unlock () 代表解锁
this.owner = null 解锁就是将owner设为null

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ABA问题

什么是ABA问题

通俗点来说就是从A变成了B最后又变成了A
A–>B–>A

CAS是对比内存和寄存器中的值,查看是否相同
(通过对比,判断内存中的值是否改变过)

但是对比时发现内存中的值是相同的,也不能确定内存中的值就没发生过改变

解释
t1线程读取内存中的值时,t2线程将内存中的值从A变成了B最后又变成了A
这时t1线程读取到的内存的值仍然是A,但是内存的值却发生了变化
这就是ABA问题

举个栗子

我们买手机的时候
可能买到的是原装手机(没有更改的)
也可能买到的是翻新机—别人用了很久的,然后手机厂商进行一系列操作(换个壳,去去尘等),这样的手机看起来虽然和原装的没太大区别,但终究也只是看起来

原装手机就类似与内存中的值没有发生过改变
翻新机就类似于A–>B–>A

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ABA问题可能引起的BUG

举个栗子

滑稽老哥去ATM机取款50元,他的银行账户有100元,取款之后变为50元
ATM并发执行两个线程
(1)线程1获取到当前存款为100元,执行扣款50元 线程2获取到当前存款为100元,执行扣款50元
(2)线程1执行扣款成功,滑稽老哥存款变为50 线程2阻塞等待
(3)此时正好滑稽老哥的朋友向滑稽老哥转账50元请滑稽老哥帮买东西
(4)滑稽老哥的存款又变为了100元
(5)线程2执行,发现存款仍为100元,执行扣款50元,此时滑稽老哥的账户又被扣款了50元

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ABA问题的解决方案

引入版本号,规定版本号只能增加
每次CAS对比的时候,不仅需要对比数值,而且需要对比版本号
如果进行修改数值,就将版本号+1

这样再去对比ABA问题时
发现版本号已经发生改变,就证明数值发生了变化
发现版本号没有发生改变,证明数值没有发生变化

举个栗子

滑稽老哥去ATM机取款50元,他的银行账户有100元,取款之后变为50元
ATM并发执行两个线程,此时引入版本号,版本号为0
(1)线程1获取到当前存款为100元,执行扣款50元 线程2获取到当前存款为100元,执行扣款50元
(2)线程1执行扣款成功,滑稽老哥存款变为50 线程2阻塞等待,版本号变为1
(3)此时正好滑稽老哥的朋友向滑稽老哥转账50元请滑稽老哥帮买东西,版本号变为2
(4)滑稽老哥的存款又变为了100元
(5)线程2执行,发现存款仍为100元,但版本号发生了改变,此时就会执行失败
(6)滑稽老哥成功保住了50元

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结尾

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