深入理解CAS算法原理

陈晨辰

1、什么是CAS?

CAS:Compare and Swap,即比较再交换。

jdk5增加了并发包java.util.concurrent.*,其下面的类使用CAS算法实现了区别于synchronouse同步锁的一种乐观锁。JDK 5之前Java语言是靠synchronized关键字保证同步的,这是一种独占锁,也是是悲观锁。

2、CAS算法理解

对CAS的理解,CAS是一种无锁算法,CAS有3个操作数,内存值V,旧的预期值A,要修改的新值B。当且仅当预期值A和内存值V相同时,将内存值V修改为B,否则什么都不做。
file

CAS比较与交换的伪代码可以表示为:

do{

备份旧数据;

基于旧数据构造新数据;

}while(!CAS( 内存地址,备份的旧数据,新数据 ))

file
https://upload-images.jianshu...

注:t1,t2线程是同时更新同一变量56的值

因为t1和t2线程都同时去访问同一变量56,所以他们会把主内存的值完全拷贝一份到自己的工作内存空间,所以t1和t2线程的预期值都为56。

假设t1在与t2线程竞争中线程t1能去更新变量的值,而其他线程都失败。(失败的线程并不会被挂起,而是被告知这次竞争中失败,并可以再次发起尝试)。t1线程去更新变量值改为57,然后写到内存中。此时对于t2来说,内存值变为了57,与预期值56不一致,就操作失败了(想改的值不再是原来的值)。

(上图通俗的解释是:CPU去更新一个值,但如果想改的值不再是原来的值,操作就失败,因为很明显,有其它操作先改变了这个值。)

就是指当两者进行比较时,如果相等,则证明共享数据没有被修改,替换成新值,然后继续往下运行;如果不相等,说明共享数据已经被修改,放弃已经所做的操作,然后重新执行刚才的操作。容易看出 CAS 操作是基于共享数据不会被修改的假设,采用了类似于数据库的commit-retry 的模式。当同步冲突出现的机会很少时,这种假设能带来较大的性能提升。

3、CAS缺点

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。

3.1、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。

解决方案
CAS类似于乐观锁,即每次去拿数据的时候都认为别人不会修改,所以不会上锁,但是在更新的时候会判断一下在此期间别人有没有去更新这个数据。因此解决方案也可以跟乐观锁一样:

  • 使用版本号机制,如手动增加版本号字段
  • Java 1.5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方法的作用是首先检查当前引用是否等于预期引用,并且检查当前的标志是否等于预期标志,如果全部相等,则以原子方式将该应用和该标志的值设置为给定的更新值。

3.2、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。如果JVM能支持处理器提供的pause指令那么效率会有一定的提升,pause指令有两个作用,第一它可以延迟流水线执行指令(de-pipeline),使CPU不会消耗过多的执行资源,延迟的时间取决于具体实现的版本,在一些处理器上延迟时间是零。第二它可以避免在退出循环的时候因内存顺序冲突(memory order violation)而引起CPU流水线被清空(CPU pipeline flush),从而提高CPU的执行效率。

解决方案

  • 破坏掉for死循环,当超过一定时间或者一定次数时,return退出。JDK8新增的LongAddr,和ConcurrentHashMap类似的方法。当多个线程竞争时,将粒度变小,将一个变量拆分为多个变量,达到多个线程访问多个资源的效果,最后再调用sum把它合起来。
  • 如果JVM能支持处理器提供的pause指令,那么效率会有一定的提升。pause指令有两个作用:第一,它可以延迟流水线执行指令(de-pipeline),使CPU不会消耗过多的执行资源,延迟的时间取决于具体实现的版本,在一些处理器上延迟时间是零;第二,它可以避免在循环的时候因内存顺序冲突(Memory Order Violation)而引起CPU流水线被清空,从而提高CPU的实行效率。

3.3、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。

解决方案

  • 用锁
  • 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ji=2a,然后用CAS来操作ij。
  • 封装成对象。注:从Java 1.5开始,JDK提供了AtomicReference类来保证引用对象之前的原子性,可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作。

3.4、比较花费CPU资源,即使没有任何争用也会做一些无用功。

3.5、会增加程序测试的复杂度,稍不注意就会出现问题。

4、CAS算法在JDK中的应用

在原子类变量中,如java.util.concurrent.atomic中的AtomicXXX,都使用了这些底层的JVM支持为数字类型的引用类型提供一种高效的CAS操作,而在java.util.concurrent中的大多数类在实现时都直接或间接的使用了这些原子变量类。

Java 1.7中AtomicInteger.incrementAndGet()的实现源码为:
file
https://upload-images.jianshu...

file
https://upload-images.jianshu...

由此可见,AtomicInteger.incrementAndGet的实现用了乐观锁技术,调用了类sun.misc.Unsafe库里面的 CAS算法,用CPU指令来实现无锁自增。所以,AtomicInteger.incrementAndGet的自增比用synchronized的锁效率倍增。

参考:https://www.jianshu.com/p/21b...
https://blog.csdn.net/yanluan...
https://blog.csdn.net/q287894...
https://segmentfault.com/a/11...

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