Java Web 实战 12 - 多线程进阶之 CAS 问题

落日映苍穹つ 2024-03-25 15:43 73阅读 0赞

#### 多线程进阶 - CAS 问题 ####

*  CAS 问题
 *   *  1. CAS 伪代码
     *  2. 典型应用场景
     *   *  2.1 使用 CAS 实现原子类
         *  2.2 使用 CAS 实现自旋锁
     *  3. CAS 的 ABA 问题
     *  4. 相关面试题

> 大家好 , 这篇文章给大家带来的是多线程当中的 CAS 问题  
> CAS 是 操作系统 / 硬件 给 JVM 提供的另外一种更轻量的原子操作的机制  
> 推荐大家跳转到 [此链接][Link 1] 查看效果更佳~  
> [上一篇文章的链接][Link 2]我也给大家贴到这里了  
> 点击即可跳转到[文章专栏][Link 3]~  
> ![在这里插入图片描述][5e38d4342c1f488bbe0217b7dd5c29bb.png]

## CAS 问题 ##

CAS 是 操作系统 / 硬件 给 JVM 提供的另外一种更轻量的原子操作的机制  
CAS 是 CPU 提供的一个特殊指令 : compare and swap (比较和交换是一条指令 -> 原子的)  
compare : 比较内存和寄存器的值 . 如果相等 , 则把寄存器和另一个值进行交换 ; 如果不想等 , 不进行操作

### 1. CAS 伪代码 ###

// address:内存地址
    // expectValue:用来比较的值/预期值(存放在寄存器中)
    // swapValue:用来交换的值(存放在另一个寄存器中)
    boolean CAS(address, expectValue, swapValue) {
        
        // 拿内存地址对应的值和预期值比较
        // 一样进行交换
        if (&address == expectedValue) {
        
            // 另一个寄存器的值和内存中的值进行交换
            &address = swapValue;
            return true;
        }
        return false;
    }

上面的代码 , 我们看着并不是原子的  
但是这一系列操作都是由一个 CPU 指令来完成的

### 2. 典型应用场景 ###

#### 2.1 使用 CAS 实现原子类 ####

原子类是标准库中提供的一组类 , 这个类可以让原子进行 ++ – 等运算

我们之前完成过这个代码

public class Demo27 {
        
        public static int count = 0;
    
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        
            Thread t1 = new Thread(() -> {
        
                for (int i = 0; i < 50000; i++) {
        
                    count++;
                }
            });
            Thread t2 = new Thread(() -> {
        
                for (int i = 0; i < 50000; i++) {
        
                    count++;
                }
            });
            t1.start();
            t2.start();
    
            t1.join();
            t2.join();
    
            System.out.println("count=" + count);
        }
    }

这个代码得到的值是错误的  
这是因为线程不安全导致的问题  
我们可以使用 `synchronized`关键字解决这个问题  
但是我们还有更好的方式

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
    
    public class Demo27 {
        
        // public static int count = 0;
        // AtomicInteger:原子类整数
        public static AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
    
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        
            Thread t1 = new Thread(() -> {
        
                for (int i = 0; i < 50000; i++) {
        
                    // 相当于count++;
                    count.getAndIncrement();
                }
            });
            Thread t2 = new Thread(() -> {
        
                for (int i = 0; i < 50000; i++) {
        
                    // 相当于++count
                    count.incrementAndGet();
                }
            });
            t1.start();
            t2.start();
    
            t1.join();
            t2.join();
    
            System.out.println("count=" + count);
        }
    }

![image.png][]  
这个原子类是怎样实现的呢 ?  
来看这段伪代码

class AtomicInteger {
        
        private int value;
        
        public int getAndIncrement() {
        
            // 先把旧的 value 值存储下来
            // oldValue 就相当于寄存器(因为在代码中没有直接的寄存器)
            int oldValue = value;
            // 判断新读取到的 value 值(内存中的值)和旧的 value 值(寄存器中的值)是不是一样的
            // 一样的就把寄存器(oldValue)的值+1,再和内存中的值进行交换
            // 不一样的话就进入循环,重新读取 value 的值
            while ( CAS(value, oldValue, oldValue + 1) != true) {
        
                oldValue = value;
            }
            return oldValue;
        }
    }

![image.png][image.png 1]

#### 2.2 使用 CAS 实现自旋锁 ####

先来看伪代码

public class SpinLock {
        
        // 表示当前是由谁来加锁
        private Thread owner = null;
    
        // 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.
        public void lock(){
        
            // 判断当前 owner 是否为空
            // 为空:代表当前没加锁,那就要进行交换,把当前这里要去加锁的值赋值到 owner 里面了
            // 不为空:说明当前的锁被其他线程占用了, CAS 就返回 false,循环继续进行,就变成了自旋的状态;
            // 直到 owner 的值被设置成 null 了,我们 CAS 才能完成交换,退出循环
            while(!CAS(this.owner, null, Thread.currentThread())){
        
            }
        }
        
        public void unlock (){
        
            this.owner = null;
        }
    }

### 3. CAS 的 ABA 问题 ###

举个栗子 :  
我们作为一个普通的老百姓 , 在网上买个手机 , 我们正常是无法区分这是一台新机还是一台翻新机  
类似的 , 在 CAS 中 , 也无法区分 , 数据始终就是 A , 还是从 A -> B -> A , 后面的这种情况 , 就很有可能出现问题

滑稽老哥有 1000 块钱存款 , 他想从 ATM 中取走 500  
我们假设 ATM 按照 CAS 的方式来进行操作  
滑稽老哥取钱的时候 , 按下取款按钮 , 就会触发一个 “取钱线程” , 但是滑稽手一滑 , 连续按了两下 , 就产生了两个线程  
![image.png][image.png 2]  
线程 3 这种情况 , 是极端情况下的小概率事件  
没有合适时机切入的线程 3 , 也就不存在正好把值改成原来的值  
那么 ABA 一般也不会有 bug

针对 ABA 的解决 , 有很多种办法  
正经的解决 ABA 问题的办法 , 是想办法获取到中间的过程  
通过引入 “版本号” 来解决这个问题  
上面的 CAS , 是比较余额 , 余额相等就可以修改 , 但是余额是可以变大也可以变小 , 因此就有可能出现 ABA 问题  
如果换成版本号 , 约定版本号只能增不能减 , 就可以避免 ABA 问题  
![image.png][image.png 3]

### 4. 相关面试题 ###

1.  讲解下你自己理解的 CAS 机制

> 全称 Compare and swap , 即 “比较并交换”. 相当于通过一个原子的操作 , 同时完成 “读取内存 , 比  
> 较是否相等 , 修改内存” 这三个步骤 . 本质上需要 CPU 指令的支撑 .

1.  ABA 问题怎么解决 ？

> 给要修改的数据引入版本号 . 在 CAS 比较数据当前值和旧值的同时 , 也要比较版本号是否符合预期 .  
> 如果发现当前版本号和之前读到的版本号一致 , 就真正执行修改操作 , 并让版本号自增 ; 如果发现当前版本号比之前读到的版本号大 , 就认为操作失败 .

CAS 问题就给大家讲解完毕  
有帮助的话请一键三连~  
![Java Web 实战 11 - 多线程进阶之常见的锁策略][Java Web _ 11 -]

[Link 1]: https://www.yuque.com/jialebihaitao/study/ufhz8xe9t543lg81?singleDoc#%20%E3%80%8A3.%20%E5%A4%9A%E7%BA%BF%E7%A8%8B%20%28%E8%BF%9B%E9%98%B6%29%E3%80%8B
[Link 2]: https://blog.csdn.net/m0_53117341/article/details/129529232
[Link 3]: https://blog.csdn.net/m0_53117341/category_12186238.html?spm=1001.2014.3001.5482
[5e38d4342c1f488bbe0217b7dd5c29bb.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/25/85f4399252e9479a9a669bf1cc091c39.png
[image.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/25/28f326b7917e48369cabd6528afe4714.png
[image.png 1]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/25/5c6adbbdb30b4d2687e80dca20217be4.png
[image.png 2]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/25/51340187bf914492806b09f4833ada40.png
[image.png 3]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/25/6cf4c7145810470b8fdd5ff2b1f6d3c1.png
[Java Web _ 11 -]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/25/5f25baa9e9fa442f99ef843b2b16bc17.png