【JavaEE】CAS

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本文于《JavaEE》专栏，本专栏是针对于大学生，编程小白精心打造的。笔者用重金(时间和精力)打造，将MySQL基础知识一网打尽，希望可以帮到读者们哦。

其他专栏：《MySQL》《C语言》《javaSE》《数据结构》等

内容分享：本期将会分享CAS知识.

目录

什么是CAS

CAS怎么实现的

CAS的应用

实现原子类

实现自旋锁

CAS的ABA问题

什么是ABA问题

ABA带来的问题

解决方法

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什么是CAS

CAS称为compare and swap,就是比较和交换的意思,它涉及到的操作就是(内存中的原数据为C, 旧的预期值为A, 需要修改的新值为B.):

1. 比较 A 与 C的值是不是一样

2. 如果相等,就会将B的值写入A中

3.返回操作是否成功.

CAS本质上就是一条指令.用来进行比较和交换,而指令本身就具有原子性.基于CAS就给实现线程安全有了一条新的选择. 之前为了线程安全需要加锁,而加锁就可能会造成堵塞.但CAS本身就具有原子性,就不需要加锁,不加锁也就不会造成堵塞.合理的使用CAS也可以解决线程安全的问题.

CAS怎么实现的

简答来说就是:

Java层面的CAS利用的就是unsafe这个类提供的CAS操作.

unsafe的CAS依赖的是JVM针对与不同操作系统实现的Atomic::cmpxchg

Atomic::cmpxchg的实现是使用了汇编的CAS操作,且使用CPU硬件提供的lock机制保证其原子性.

反正就是因为硬件提供了支持,软件层面才能做到.

CAS的应用

实现原子类

标准库中就提供了Java.cutil.concurrent.atomic 包,里面的类都是基于这种方式来实现的. 典型就是Atomiclnteger类,其中的方法getAndIncrement就是相当于i++.

AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);
// 相当于 i++
atomicInteger.getAndIncrement();

伪代码:

class AtomicInteger {
    private int value;
    public int getAndIncrement() {
    int oldValue = value;
    while ( CAS(value, oldValue, oldValue+1) != true) {
        oldValue = value;
    }
    return oldValue;
}

假设两个线程都调用到了这个方法.

1.两个线程都读到了value值到oldvalue中.

2. 线程1先执行CAS操作. 因为value和oldvalue一样,就会直接对value赋值.

3其后线程2再执行CAS操作就会发现value和oldvalue不同就会再次将value的值给oldvalue进入循环

4接下来第二次执行CAS,就发现value和oldvalue一样,就会发生赋值.

通过类似于这种方式就可以实现一个原子类.不需要重量级锁也可以高效的完成多线程的自增操作.(这里其实在代码角度不是原子的,但是在硬件上可以让一条指令完成这个操作,也就变成原子的了)

通过这样的代码就可以实现一个原子类.它是不需要使用重量级锁的,这样可以高效的完成多线程的自增操作.

实现自旋锁

我们基于CAS可以实现更加灵活的锁,获取到更多的控制权.

自旋锁伪代码:

这里核心就是使用CAS,当owner不为null时,它就会一直循环判断,当owner为null时,它就会操作成功,将这个线程的地址赋值给owner,结束了可以调用构造方法来将owner置为null,相当于解锁.

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?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

我们知道CAS的核心就是比较和交换,判断预期值和内存值是不是一样再交换.但是会有一种情况:

假设有两个线程t1和t2,都需要对一个共享变量num100来进行减50操作. 他们需要进行的步骤:

1. 读取num的值到寄存器中

2.比较看相不相同,相同就修改成50

这时当t1执行到第二步操作时,t2插队进来将这个减50操作完成了,这时num变成了50,后面又有一个t3线程插到t1线程前面,将num的值加50,这时num变成了100.终于轮到t1执行第二步操作时,它发现这个num为100,和寄存器中的值一样,它就会进行－50操作.

这就是ABA现象.

ABA带来的问题

粗略来看,这样是没有什么影响的.但是再一些极端情况下就会产生一些不好的影响. 比如:

小帅今天打算去银行取50块钱.它对ATM机点了一下,发现没反应,就又点了一下.这时ATM机就会产生t1和t2两个相同的－50的线程. 当t1执行到第二步后,t2插队进来执行,将100变成了50.等到t1再执行的时候,它又被插队了,这时小帅的女朋友给它的账户中存了50块钱,账户余额就变成了100.终于等到t1执行时它会发现账户里的值和寄存器中的值一样,于是它的减50操作就成功了.

这就会发生小帅的50块钱不翼而飞的现象.

解决方法

我们可以给需要修改的值引入一个版本号.在比较当前值和预期值时,也要比较版本号相不相同.

1. CAS操作在读取内存值的时候,也需要读取版本号.

2. 在进行比较值的时候,也要比较当前版本号和读取版本号相不相同.相同而修改数据,版本号+1.如果当前版本号大于读取的版本号就表示操作失败了.

举个栗子:
比如小帅取钱.取款机都创建了两个线程,都是执行－50的操作. t1获取到了存款为100,版本号为1.t2获取到了存款为100,版本号为1.

t2扣款成功,存款为50,版本号更新为2.

小帅的女朋友给小帅存了50,存款为100,版本号更新为3.

最终t1执行发现预期值和寄存器值一样,但是当前版本号大于读取版本号,操作失败.