【并发编程的基石】CAS机制 (compareAndSwap)

[并发编程的基石]:CAS机制 (compareAndSwap)

其实Java并发框架的基石一共有两块,一块是本文介绍的CAS,另一块就是AQS。
在Java发展初期,java语言是不能够利用硬件提供的这些便利来提升系统的性能的。而随着java不断的发展,Java本地方法(JNI或JNA)的出现,使得java程序越过JVM直接调用本地方法提供了一种便捷的方式,因而java在并发的手段上也多了起来。而在Doug Lea提供的cucurenct包中,CAS理论是它实现整个java包的基石。

什么是CAS机制

CAS机制是一种数据更新的方式。在具体讲什么是CAS机制之前,我们先来聊下在多线程环境下,对共享变量进行数据更新的两种模式:悲观锁模式和乐观锁模式。

悲观锁更新的方式认为:在更新数据的时候大概率会有其他线程去争夺共享资源,所以悲观锁的做法是:第一个获取资源的线程会将资源锁定起来,其他没争夺到资源的线程只能进入阻塞队列,等第一个获取资源的线程释放锁之后,这些线程才能有机会重新争夺资源。synchronized就是java中悲观锁的典型实现,synchronized使用起来非常简单方便,但是会使没争抢到资源的线程进入阻塞状态,线程在阻塞状态和Runnable状态之间切换效率较低(比较慢)。比如你的更新操作其实是非常快的,这种情况下你还用synchronized将其他线程都锁住了,线程从Blocked状态切换回Runnable华的时间可能比你的更新操作的时间还要长。

乐观锁更新方式认为:在更新数据的时候其他线程争抢这个共享变量的概率非常小,所以更新数据的时候不会对共享数据加锁。但是在正式更新数据之前会检查数据是否被其他线程改变过,如果未被其他线程改变过就将共享变量更新成最新值,如果发现共享变量已经被其他线程更新过了,就重试,直到成功为止。CAS机制就是乐观锁的典型实现。

CAS,是Compare and Swap的简称,在这个机制中有三个核心的参数:

主内存中存放的共享变量的值:V(一般情况下这个V是内存的地址值,通过这个地址可以获得内存中的值)
工作内存中共享变量的副本值,也叫预期值:A
需要将共享变量更新到的最新值:B

【并发编程的基石】CAS机制 (compareAndSwap)_第1张图片

如上图中,主存中保存V值,线程中要使用V值要先从主存中读取V值到线程的工作内存A中,然后计算后变成B值,最后再把B值写回到内存V值中。多个线程共用V值都是如此操作。CAS的核心是在将B值写入到V之前要比较A值和V值是否相同,如果不相同证明此时V值已经被其他线程改变,重新将V值赋给A,并重新计算得到B,如果相同,则将B值赋给V。

值得注意的是CAS机制中的这步步骤是原子性的(从指令层面提供的原子操作),所以CAS机制可以解决多线程并发编程对共享变量读写的原子性问题。

CAS机制优缺点

缺点

  1. ABA问题
    ABA问题:CAS在操作的时候会检查变量的值是否被更改过,如果没有则更新值,但是带来一个问题,最开始的值是A,接着变成B,最后又变成了A。经过检查这个值确实没有修改过,因为最后的值还是A,但是实际上这个值确实已经被修改过了。为了解决这个问题,在每次进行操作的时候加上一个版本号,每次操作的就是两个值,一个版本号和某个值,A——>B——>A问题就变成了1A——>2B——>3A。在jdk中提供了AtomicStampedReference类解决ABA问题,用Pair这个内部类实现,包含两个属性,分别代表版本号和引用,在compareAndSet中先对当前引用进行检查,再对版本号标志进行检查,只有全部相等才更新值。

  2. 可能会消耗较高的CPU
    看起来CAS比锁的效率高,从阻塞机制变成了非阻塞机制,减少了线程之间等待的时间。每个方法不能绝对的比另一个好,在线程之间竞争程度大的时候,如果使用CAS,每次都有很多的线程在竞争,也就是说CAS机制不能更新成功。这种情况下CAS机制会一直重试,这样就会比较耗费CPU。因此可以看出,如果线程之间竞争程度小,使用CAS是一个很好的选择;但是如果竞争很大,使用锁可能是个更好的选择。在并发量非常高的环境中,如果仍然想通过原子类来更新的话,可以使用AtomicLong的替代类:LongAdder。

  3. 不能保证代码块的原子性
    Java中的CAS机制只能保证共享变量操作的原子性,而不能保证代码块的原子性(这是时候就需要synchronied锁了,你会发现synchronied真的是万能的)。

优点

  • 可以保证变量操作的原子性;
  • 并发量不是很高的情况下,使用CAS机制比使用锁机制效率更高;
  • 在线程对共享资源占用时间较短的情况下,使用CAS机制效率也会较高。

CAS使用场景

  • 使用一个变量统计网站的访问量;
  • Atomic类操作;
  • 数据库乐观锁更新。
    参考:
    并发编程系列博客传送门 作者:程序员自由之路

你可能感兴趣的:(#,java并发编程,java,程序人生,架构)