Java并发/多线程-CAS原理分析

目录

• 什么是CAS
• 并发安全问题
  • 举一个典型的例子i++
  • 如何解决？
  • 底层原理
• CAS需要注意的问题
  • 使用限制
  • ABA 问题
    • 概念
      • 解决方案
  • 高竞争下的开销问题

什么是CAS

CAS 即 compare and swap，比较并交换。

CAS是一种原子操作，同时 CAS 使用乐观锁机制。

J.U.C中的很多功能都是建立在 CAS 之上，各种原子类，其底层都用 CAS来实现原子操作。用来解决并发时的安全问题。

并发安全问题

举一个典型的例子i++

public class AddTest {
  public volatile int i;
  public void add() {
    i++;
  }
}

通过javap -c AddTest可以看到add 方法的字节码指令：

public void add();
    Code:
       0: aload_0
       1: dup
       2: getfield      #2                  // Field i:I
       5: iconst_1
       6: iadd
       7: putfield      #2                  // Field i:I
      10: return

i++被拆分成了多个指令：

1. 执行getfield拿到原始内存值；
2. 执行iadd进行加 1 操作；
3. 执行putfield写把累加后的值写回内存。

假设一种情况：

• 当线程 1 执行到iadd时，由于还没有执行putfield，这时候并不会刷新主内存区中的值。
• 此时线程 2 进入开始运行，刚刚将主内存区的值拷贝到私有内存区。
• 线程 1正好执行putfield，更新主内存区的值，那么此时线程 2 的副本就是旧的了。错误就出现了。

如何解决？

最简单的，在 add 方法加上 synchronized 。

public class AddTest {
  public volatile int i;
  public synchronized void add() {
    i++;
  }
}

虽然简单，并且解决了问题，但是性能表现并不好。

最优的解法应该是使用JDK自带的CAS方案，如上例子，使用AtomicInteger类

public class AddIntTest {
  public AtomicInteger i;
  public void add() {
    i.getAndIncrement();
  }
}

底层原理

CAS 的原理并不复杂：

• 三个参数，一个当前内存值 V、预期值 A、更新值 B
• 当且仅当预期值 A 和内存值 V 相同时，将内存值修改为 B 并返回 true
• 否则什么都不做，并返回 false

拿 AtomicInteger 类分析，先来看看源码：

我这里的环境是Java11，如果是Java8这里一些内部的一些命名有些许不同。

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 6214790243416807050L;

    /*
     * This class intended to be implemented using VarHandles, but there
     * are unresolved cyclic startup dependencies.
     */
    private static final jdk.internal.misc.Unsafe U = jdk.internal.misc.Unsafe.getUnsafe();
    private static final long VALUE = U.objectFieldOffset(AtomicInteger.class, "value");

    private volatile int value;
  
		//...
}

Unsafe 类，该类对一般开发而言，少有用到。

Unsafe 类底层是用 C/C++ 实现的，所以它的方式都是被 native 关键字修饰过的。

它可以提供硬件级别的原子操作，如获取某个属性在内存中的位置、修改对象的字段值。

关键点：

• AtomicInteger 类存储的值在 value 字段中，而value字段被volatile

• 在静态代码块中，并且获取了 Unsafe 实例，获取了 value 字段在内存中的偏移量 VALUE

接下回到刚刚的例子：

如上，getAndIncrement() 方法底层利用 CAS 技术保证了并发安全。

public final int getAndIncrement() {
  return U.getAndAddInt(this, VALUE, 1);
}

getAndAddInt() 方法：

public final int getAndAddInt(Object o, long offset, int delta) {
  int v;
  do {
    v = getIntVolatile(o, offset);
  } while (!weakCompareAndSetInt(o, offset, v, v + delta));
  return v;
}

v 通过 getIntVolatile(o, offset)方法获取，其目的是获取 o 在 offset 偏移量的值，其中 o 就是 AtomicInteger 类存储的值，即value， offset 内存偏移量的值，即 VALUE。

重点，weakCompareAndSetInt 就是实现 CAS 的核心方法

• 如果 o 和 v相等，就证明没有其他线程改变过这个变量，那么就把 v 值更新为 v + delta，其中 delta 是更新的增量值。
• 反之 CAS 就一直采用自旋的方式继续进行操作，这一步也是一个原子操作。

分析：

• 设定 AtomicInteger 的原始值为 A，线程 1 和线程 2 各自持有一份副本，值都是 A。

1. 线程 1 通过getIntVolatile(o, offset)拿到 value 值 A，这时线程 1 被挂起。
2. 线程 2 也通过getIntVolatile(o, offset)方法获取到 value 值 A，并执行weakCompareAndSetInt方法比较内存值也为 A，成功修改内存值为 B。
3. 这时线程 1 恢复执行weakCompareAndSetInt方法比较，发现自己手里的值 A 和内存的值 B 不一致，说明该值已经被其它线程提前修改过了。
4. 线程 1 重新执行getIntVolatile(o, offset)再次获取 value 值，因为变量 value 被 volatile 修饰，具有可见性，线程A继续执行weakCompareAndSetInt进行比较替换，直到成功

CAS需要注意的问题

使用限制

CAS是由CPU支持的原子操作，其原子性是在硬件层面进行保证的，在Java中普通用户无法直接使用，只能借助atomic包下的原子类使用，灵活性受限。

但是CAS只能保证单个变量操作的原子性，当涉及到多个变量时，CAS无能为力。

原子性也不一定能保证线程安全，如在Java中需要与volatile配合来保证线程安全。

ABA 问题

概念

CAS 有一个问题，举例子如下：

• 线程 1 从内存位置 V 取出 A
• 这时候线程 2 也从内存位置 V 取出 A
• 此时线程 1 处于挂起状态，线程 2 将位置 V 的值改成 B，最后再改成 A
• 这时候线程 1 再执行，发现位置 V 的值没有变化，符合期望继续执行。

此时虽然线程 1还是成功了，但是这并不符合我们真实的期望，等于线程 2狸猫换太子把线程 1耍了。

这就是所谓的ABA问题

解决方案

引入原子引用，带版本号的原子操作。

把我们的每一次操作都带上一个版本号，这样就可以避免ABA问题的发生。既乐观锁的思想。

• 内存中的值每发生一次变化，版本号都更新。

• 在进行CAS操作时，比较内存中的值的同时，也会比较版本号，只有当二者都没有变化时，才能执行成功。

• Java中的AtomicStampedReference类便是使用版本号来解决ABA问题的。

高竞争下的开销问题

• 在并发冲突概率大的高竞争环境下，如果CAS一直失败，会一直重试，CPU开销较大。

• 针对这个问题的一个思路是引入退出机制，如重试次数超过一定阈值后失败退出。

• 更重要的是避免在高竞争环境下使用乐观锁。

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