CAS原子操作

乐观锁与悲观锁

我们都知道,cpu是时分复用的,也就是把cpu的时间片,分配给不同的thread/process轮流执行,时间片与时间片之间,需要进行cpu切换,也就是会发生进程的切换。切换涉及到清空寄存器,缓存数据。然后重新加载新的thread所需数据。当一个线程被挂起时,加入到阻塞队列,在一定的时间或条件下,在通过notify(),notifyAll()唤醒回来。 在某个资源不可用的时候,就将cpu让出,把当前等待线程切换为阻塞状态。等到资源(比如一个共享数据)可用了,那么就将线程唤醒,让他进入runnable状态等待cpu调度。这就是典型的悲观锁的实现。 独占锁是一种悲观锁,synchronized就是一种独占锁,它假设最坏的情况,认为一个线程修改共享数据的时候其他线程也会修改该数据,因此只在确保其它线程不会造成干扰的情况下执行,会导致其它所有需要锁的线程挂起,等待持有锁的线程释放锁。

但是,由于在进程挂起和恢复执行过程中存在着很大的开销。当一个线程正在等待锁时,它不能做任何事,所以悲观锁有很大的缺点。举个例子,如果一个线程需要某个资源,但是这个资源的占用时间很短,当线程第一次抢占这个资源时,可能这个资源被占用,如果此时挂起这个线程,可能立刻就发现资源可用,然后又需要花费很长的时间重新抢占锁,时间代价就会非常的高。

所以就有了乐观锁的概念,他的核心思路就是,每次不加锁而是假设修改数据之前其他线程一定不会修改,如果因为修改过产生冲突就失败就重试,直到成功为止。 在上面的例子中,某个线程可以不让出cpu,而是一直while循环,如果失败就重试,直到成功为止。所以,当数据争用不严重时,乐观锁效果更好。比如CAS就是一种乐观锁思想的应用。

CAS

CAS 操作包含三个操作数 —— 内存位置(V)、预期原值(A)和新值(B)。执行CAS操作的时候,将内存位置的值与预期原值比较,如果相匹配,那么处理器会自动将该位置值更新为新值。否则,处理器不做任何操作。

举个CAS操作的应用场景的一个例子,当一个线程需要修改共享变量的值。完成这个操作,先取出共享变量的值赋给A,然后基于A的基础进行计算,得到新值B,完了需要更新共享变量的值了,这个时候就可以调用CAS方法更新变量值了。

在java中可以通过锁和循环CAS的方式来实现原子操作。Java中java.util.concurrent.atomic包相关类就是 CAS的实现,atomic包里包括以下类:

类名 说明
AtomicBoolean 可以用原子方式更新的 boolean 值。
AtomicInteger 可以用原子方式更新的 int 值。
AtomicIntegerArray 可以用原子方式更新其元素的 int 数组。
AtomicIntegerFieldUpdater<T> 基于反射的实用工具,可以对指定类的指定 volatile int 字段进行原子更新。
AtomicLong 可以用原子方式更新的 long 值。
AtomicLongArray 可以用原子方式更新其元素的 long 数组。
AtomicLongFieldUpdater<T> 基于反射的实用工具,可以对指定类的指定 volatile long 字段进行原子更新。
AtomicMarkableReference<V> AtomicMarkableReference 维护带有标记位的对象引用,可以原子方式对其进行更新。
AtomicReference<V> 可以用原子方式更新的对象引用。
AtomicReferenceArray<E> 可以用原子方式更新其元素的对象引用数组。
AtomicReferenceFieldUpdater<T,V> 基于反射的实用工具,可以对指定类的指定 volatile 字段进行原子更新。
AtomicStampedReference<V> AtomicStampedReference 维护带有整数“标志”的对象引用,可以用原子方式对其进行更新。

下面我们来已AtomicIneger的源码为例来看看CAS操作:

public final int getAndAdd(int delta) {
    for (; ; ) {
        int current = get();
        int next = current + delta;
        if (compareAndSet(current, next))
            return current;
    }
}

这里很显然使用CAS操作(for(;;)里面),他每次都从内存中读取数据,+1操作,然后两个值进行CAS操作。如果成功则返回,否则失败重试,直到修改成功为止。上面源码最关键的地方有两个,一个for循环,它代表着一种宁死不屈的精神,不成功誓不罢休。还有就是compareAndSet:

public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}

compareAndSet方法内部是调用Java本地方法compareAndSwapInt来实现的,而compareAndSwapInt方法内部又是借助C来调用CPU的底层指令来保证在硬件层面上实现原子操作的。在intel处理器中,CAS是通过调用cmpxchg指令完成的。这就是我们常说的CAS操作(compare and swap)。

CAS的问题

CAS虽然很高效的解决原子操作,但是CAS仍然存在三大问题。ABA问题,循环时间长开销大和只能保证一个共享变量的原子操作。

  1. ABA问题。因为CAS需要在操作值的时候检查下值有没有发生变化,如果没有发生变化则更新,但是如果一个值原来是A,变成了B,又变成了A,那么使用CAS进行检查时会发现它的值没有发生变化,但是实际上却变化了。ABA问题的解决思路就是使用版本号。在变量前面追加上版本号,每次变量更新的时候把版本号加一,那么A-B-A 就会变成1A-2B-3A。从Java1.5开始JDK的atomic包里提供了一个类AtomicStampedReference来解决ABA问题。这个类的compareAndSet方法作用是首先检查当前引用是否等于预期引用,并且当前标志是否等于预期标志,如果全部相等,则以原子方式将该引用和该标志的值设置为给定的更新值。
  2. 循环时间长开销大。自旋CAS如果长时间不成功,会给CPU带来非常大的执行开销。
  3. 只能保证一个共享变量的原子操作。当对一个共享变量执行操作时,我们可以使用循环CAS的方式来保证原子操作,但是对多个共享变量操作时,循环CAS就无法保证操作的原子性,这个时候就可以用锁,或者有一个取巧的办法,就是把多个共享变量合并成一个共享变量来操作。比如有两个共享变量i=2,j=a,合并一下ij=2a,然后用CAS来操作ij。从Java1.5开始JDK提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性,你可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作。