【JavaEE】CAS ゞ 浴缸里的玫瑰 2024-02-05 14:07 27阅读 0赞 > **作者主页：[paper jie\_博客][paper jie]** > > **本文作者：大家好，我是paper jie，感谢你阅读本文，欢迎一建三连哦。** > > **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 -------------------- ## 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++. ![1fce0f1940ca44c49e199853fb453f23.png][] 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) ![4307467cb7754cc98d3053a55dc1ae5a.png][] 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, 那么就⾃旋等待. // 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. [paper jie]: https://blog.csdn.net/paperjie?type=blog [1fce0f1940ca44c49e199853fb453f23.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/01/30/0544d3e6499a4585ba4cc3611a0d052c.png [4307467cb7754cc98d3053a55dc1ae5a.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/01/30/6c3a46ed6dca4fe29e0fce078b1808f6.png
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