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CAS 和 ABA 问题

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发表于 2019-12-27 19:14 | 显示全部楼层 |阅读模式
CAS简介

CAS 全称是 compare and swap,是一种用于在多线程环境下实现同步功能的机制。
CAS 它是一条CPU并发原语。操纵包罗三个操纵数 -- 内存位置、预期数值和新值。CAS 的实现逻辑是将内存位置处的数值与预期数值想比力,若相当,则将内存位置处的值更换为新值。若不相当,则不做任何操纵。这个过程是原子的。
CAS并发原语体现在java语言中的sun.misc.Unsafe类中的各个方法。调用Unsafe类中的CAS方法,JVM会帮我们实现汇编指令。这是一种完全依靠硬件的功能,通过它实现了原子操纵。由于CAS是一种体系原语,原语属于操纵体系用语范畴,是由多少条指令构成的,用于完成某个功能的一个过程,而且原语的实验必须是连续的,在实验过程中不允许被打断,也就是说CAS是一条CPU的原子指令,不会造成所谓的数据差异等标题。
Unsafe类

Unsafe类是CAS的核心类,由于Java方法无法直接访问底层体系,需要通过当地(native)方法来访问,基于该类可以直接操纵特定内存的数据。Unsafe类存在与sum.misc包中,其内部方法操纵可以像C的指针一样直接操纵内存,由于Java中CAS操纵的实验依靠于Unsafe类的方法。
Unsafe类中的全部方法都是native修饰的,也就是说Unsafe类中的方法都直接调用操纵体系底层资源实验相应使命。
代码分析
  1. public class CASDemo {    public static void main(String[] args) {        AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(5);                // 运行结果: true   2019        System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(5, 2019) + "\t" + atomicInteger.get());        // 运行结果: false  2019        System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(5, 1024) + "\t" + atomicInteger.get());        // 此方法可以解决多线程环境下i++标题,底层利用的是Unsafe类CAS和自旋锁        atomicInteger.getAndIncrement();    }}
复制代码
源码分析:
  1. /**     * Atomically increments by one the current value.     *     * @return the previous value     */    public final int getAndIncrement() {        // this=当前对象 valueOffset=内存偏移量(内存地点) 1=固定值,每次调用+1        // Unsafe就是根据内存偏移地点获取数据的。        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);    }        /**     * 为了方便检察和添加解释,此方法是从Unsafe类中复制出来的     */    public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {            int var5;            do {                // 获取var1对象,内存地点在var2的值。                // 相当于这个线程从主物理内存中取值copy到自己的工作内存中。                var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);                                // 比力并交换,如果var1对象,内存地点在var2的值和var5值一样,那么就+1                // compareAndSwapInt如果返回true,取反为false,阐明更新乐成,退出循环,则返回。                // compareAndSwapInt如果返回false,取反为true,阐明当火线程工作内存中的值和主物理内存中的值不一样,被其他线程修改了,则继续循环获取比力,直到更新乐成为止。            } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));                return var5;        }
复制代码
实验过程阐明:

  • 假设线程A和线程B两个线程同时实验 getAndAddInt操纵(分别跑在差异CPU上):
  • AtomicInteger内里的value原始值为3,即主内存中 AtomicInteger的value为3,根据JMM模子,线程A和线程B各自持有一
    份值为3的value的副天职别到各自的工作内存。
  • 线程A通过 getIntVolatile(var1,var2)拿到value值3,这时线程A被挂起。
  • 线程B也通过 getIntVolatile(var1,var2)方法获取到value值3,此时刚好线程B没有被挂起并实验 compareAndSwapInt方法
    比力内存值也为3,乐成修改内存值为4,线程B改完收工,统统OK。
  • 这时线程A规复,实验 compareAndSwapInt方法比力,发现自己手里的值数字3和主内存的值数字4差异等,阐明该值已
    经被别的线程抢先一步修改过了,那A线程本次修改失败,只能重新读取重新来一遍了。
  • 线程A重新获取 value值,由于变量value被 volatile修饰,所以别的线程对它的修改,线程A总是可以或许看到,线程A继续执
    了 compareAndSwapInt进行比力更换,直到乐成。
volatile简单阐明:
volatile是一个轻量级的同步机制, 三大特性: 包管可见性, 不包管原子性, 克制指令重排。

  • 可见性: 多个线程从主内存中copy一份数据,修改后,需要将自己的数据重新写入主内存,并关照其他线程数据已更新,包管数据可见性,和多线程数据同等性。
  • 克制指令重排: 由于指令重排,会对代码的实验顺序进行优化,大概会导致最后的结果和盼望的结果差异等,所以需要克制重排。
CAS的优缺点

长处

  • 不需要加锁,保持了同等性和并发性。
缺点

  • 循环时间长开销很大:我们可以看到getAndAddInt方法实验时,如果CAS失败,会不绝进行实验。如果CAS长时间不绝不乐成,大概会给CPU带来很大的开销。
  • 只能包管一个共享变量的原子操纵:当对一个共享变量实验操纵时,我们可以利用循环CAS的方式来包管原子操纵,但是对多个共享变量操纵时,循环CAS就无法包管操纵的原子性,这个时候就可以用锁来包管原子性。
  • ABA标题:下面会提供详细案例
ABA标题

举个栗子阐明:

主内存有个数据值:A,两个线程A和B分别copy主内存数据到自己的工作区,A实验比力慢,需要10秒, B实验比力快,需要2秒, 此时B线程将主内存中的数据更改为B,过了一会又更改为A,然后A线程实验比力,发现结果是A,以为别人没有动过,然后实验更改操纵。实在中间已经被更改过了,这就是ABA标题。

也就是ABA标题只要开始时的数据和竣事时的数据同等,我就以为没改过,不管过程。

只管A线程的CAS操纵是乐成的,但是不代表这个过程就是没标题的。
ABA标题说简单点就是,预判值照旧和当初抓取的一样,但是这个“ 值 ”的版本大概不一样了,在某些不但要思量数据值是否同等,还要思量版本是否同等的场景下需要注意.
Java并发包为相识决这个标题,提供了一个带有标志的原子引用类“AtomicStampedReference”,它可以通过控制变量值的版原来包管CAS的精确性。
解决ABA标题的代码示例
  1. /** * 解决CAS的ABA标题 */public class SolveABAOfCAS {    static AtomicReference atomicReference = new AtomicReference(100);    static AtomicStampedReference atomicStampedReference = new AtomicStampedReference(100, 1);    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {        System.out.println("==========以下是ABA标题的产生==========");        new Thread(() -> {            atomicReference.compareAndSet(100, 101);            atomicReference.compareAndSet(101, 100);        }, "t1").start();        new Thread(() -> {            try {                // 停息1秒钟,包管上面完成一次ABA操纵                Thread.sleep(1000);                System.out.println(atomicReference.compareAndSet(100, 2019) + "\t" + atomicReference.get());            } catch (InterruptedException e) {                e.printStackTrace();            }        }, "t2").start();        Thread.sleep(2000);        System.out.println("==========以下是ABA标题的解决==========");        new Thread(() -> {            int stamp = atomicStampedReference.getStamp();            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t第1次版本号" + stamp);            try {                // 停息一秒钟t3线程                Thread.sleep(1000);                atomicStampedReference.compareAndSet(100, 101, atomicStampedReference.getStamp(), atomicStampedReference.getStamp() + 1);                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t第2次版本号" + atomicStampedReference.getStamp());                atomicStampedReference.compareAndSet(101, 100, atomicStampedReference.getStamp(), atomicStampedReference.getStamp() + 1);                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t第3次版本号" + atomicStampedReference.getStamp());            } catch (InterruptedException e) {                e.printStackTrace();            }        }, "t3").start();        new Thread(() -> {            int stamp = atomicStampedReference.getStamp();            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t第1次版本号" + stamp);            try {                // 停息3秒钟t4线程,包管上面的t3线程完成一次ABA操纵                Thread.sleep(3000);                boolean result = atomicStampedReference.compareAndSet(100, 2019, stamp, stamp + 1);                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t修改乐成否: " + result + "\t当前最新实际版本号: " + atomicStampedReference.getStamp());                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t当前实际最新值: " + atomicStampedReference.getReference());            } catch (InterruptedException e) {                e.printStackTrace();            }        }, "t4").start();    }}
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