CAS与自旋锁

CAS、自旋锁是什么

CAS即Compare and Swap，是一种比较并交换算法

自旋锁是一种基于CAS的锁，获取锁的线程不会被阻塞，而是循环的去获取锁

 

CAS的原理

Unsafe是CAS的核心类，由于Java方法无法直接访问底层系统，需要通过本地(native) 方法来访问，Unsafe相当于一个后门，基于该 类可以直接操作特定内存的数据。Unsafe 类存在于sun.misc包中，其内部方法操作可以像C的指针一样直接操作内存，因为Java中 CAS操作的执行依赖于Unsafe类的方法。

CAS有三个操作值：内存值V、预期值A与修改值B。只有当预期值A与内存值V相同时，才会将内存值替换成B。否则，会进入下一轮循环中。

意思就是，假如有一个共享变量O，它的值为1，现在有两个线程A、B去获取修改O，线程A、B获取到O=1，A想要将O修改为2，B想要将O修改为3。A跑得比较快，A拿自己的副本O(值为1)与真实的O(值为1)进行比较，相等，修改成功。然后线程B去将O修改为3，先比较值，B的副本O(值为1)与真实O(值为2)比较，不相等，修改失败。

 

CAS的优点与缺点

优点：

       在并发量不是很高的时候可以提高效率。

缺点：

      1、如果长时间循环对CPU的开销很大。

      2、只能保证一个共享变量的原子操作

      3、ABA问题

ABA问题：

  线程A比线程B快得多，此时：

          A将O=10修改为20

          A将O=20修改为10

          B在修改O值时，本应该修改失败，但是因为A将值修改过之后又改回来了，导致B修改成功了，但是在有些业务场景下是不允许这么操作的。

如何解决ABA问题？

  对内存中的O值添加一个版本号，在比较值的同时还要比较版本号。

  AtomicStampedReference就使用了版本号实现CAS。

 

自旋锁实例

public class Test1 {

    public static void main(String[] args) {

        Test1 test1 = new Test1();

        new Thread(() -> {
            test1.lock();
            test1.business();
            test1.unLock();
        }, "线程A").start();

        // 确保A先开始
        try { TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(10); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }

        new Thread(() -> {
            test1.lock();
            test1.business();
            test1.unLock();
        }, "线程B").start();
    }

    AtomicReference atomicReference = new AtomicReference<>(); // 初始值为null，相当于内存值为null

    public void lock(){

        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开始加锁");
        Thread thread = Thread.currentThread();

        while (!atomicReference.compareAndSet(null, thread)){ // 预期值为null，如果与内存值相等，则替换内存值为thread
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() +"自旋中");
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "加锁成功");
    }

    public void unLock(){

        Thread thread = Thread.currentThread();
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "解锁");

        atomicReference.compareAndSet(thread, null); // 预期值为thread，如果与内存值相等，则替换内存值为null
    }

    public void business(){
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开始执行业务");
        try { TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(100); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "执行完成");
    }
}


/*********************************控制台打印结果*********************************/
线程A开始加锁
线程A加锁成功
线程A开始执行业务
线程B开始加锁
线程B自旋中
线程B自旋中
线程B自旋中
 ......
线程B自旋中
线程A执行完成
线程A解锁    
线程B自旋中
线程B加锁成功
线程B开始执行业务
线程B执行完成
线程B解锁