Java原子操作CAS原理解析
一、CAS(Compare And Set)
Compare And Set(或Compare And Swap),CAS是解決多線程并行情況下使用鎖造成性能損耗的一種機(jī)制,CAS操作包含三個(gè)操作數(shù)——內(nèi)存位置(V)、預(yù)期原值(A)、新值(B)。如果內(nèi)存位置的值與預(yù)期原值相匹配,那么處理器會(huì)自動(dòng)將該位置值更新為新值。否則,處理器不做任何操作。無論哪種情況,它都會(huì)在CAS指令之前返回該位置的值。CAS有效地說明了“我認(rèn)為位置V應(yīng)該包含值A(chǔ);如果包含該值,則將B放到這個(gè)位置;否則,不要更改該位置,只告訴我這個(gè)位置現(xiàn)在的值即可。
在java中可以通過鎖和循環(huán)CAS的方式來實(shí)現(xiàn)原子操作。Java中 java.util.concurrent.atomic包相關(guān)類就是 CAS的實(shí)現(xiàn),atomic包里包括以下類:
| 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 數(shù)組。 |
| AtomicIntegerFieldUpdater |
基于反射的實(shí)用工具,可以對(duì)指定類的指定 volatile int 字段進(jìn)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 數(shù)組。 |
| AtomicLongFieldUpdater |
基于反射的實(shí)用工具,可以對(duì)指定類的指定 volatile long 字段進(jìn)行原子更新。 |
| AtomicMarkableReference |
AtomicMarkableReference 維護(hù)帶有標(biāo)記位的對(duì)象引用,可以原子方式對(duì)其進(jìn)行更新。 |
| AtomicReference |
可以用原子方式更新的對(duì)象引用。 |
| AtomicReferenceArray |
可以用原子方式更新其元素的對(duì)象引用數(shù)組。 |
| AtomicReferenceFieldUpdater<T,V> | 基于反射的實(shí)用工具,可以對(duì)指定類的指定 volatile 字段進(jìn)行原子更新。 |
| AtomicStampedReference |
AtomicStampedReference 維護(hù)帶有整數(shù)“標(biāo)志”的對(duì)象引用,可以用原子方式對(duì)其進(jìn)行更新。 |
二、AtomicInteger
AtomicInteger可以用原子方式更新的 int 值。AtomicInteger 可用在應(yīng)用程序中(如以原子方式增加的計(jì)數(shù)器),并且不能用于替換 Integer。但是,此類確實(shí)擴(kuò)展了 Number,允許那些處理基于數(shù)字類的工具和實(shí)用工具進(jìn)行統(tǒng)一訪問。 我們拿 AtomicInteger為例來學(xué)習(xí)下 CAS操作是如何實(shí)現(xiàn)的。
通常情況下,在 Java中,i++等類似操作并不是線程安全的,因?yàn)?i++可分為三個(gè)獨(dú)立的操作:獲取變量當(dāng)前值,為該值+1,然后寫回新的值。在沒有額外資源可以利用的情況下,只能使用加鎖才能保證讀-改-寫這三個(gè)操作時(shí)“原子性”的。但是利用加鎖的方式來實(shí)現(xiàn)該功能的話,代碼將非常復(fù)雜及難以維護(hù),如:
synchronized (lock) {
i++;
}
相關(guān)類中還需要增加 Object lock等額外標(biāo)志,這樣就帶來了很多麻煩,增加了很多業(yè)務(wù)無關(guān)代碼,給開發(fā)與維護(hù)帶來了不便。
然而利用 atomic包中相關(guān)類型就可以很簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)此操作,以下是一個(gè)計(jì)數(shù)程序?qū)嵗?/p>
public class Counter {
private AtomicInteger ai = new AtomicInteger();
private int i = 0;
public static void main(String[] args) {
final Counter cas = new Counter();
List<Thread> threads = new ArrayList<Thread>();
// 添加100個(gè)線程
for (int j = 0; j < 100; j++) {
threads.add(new Thread(new Runnable() {
public void run() {
// 執(zhí)行100次計(jì)算,預(yù)期結(jié)果應(yīng)該是10000
for (int i = 0; i < 100; i++) {
cas.count();
cas.safeCount();
}
}
}));
}
//開始執(zhí)行
for (Thread t : threads) {
t.start();
}
// 等待所有線程執(zhí)行完成
for (Thread t : threads) {
try {
t.join();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
System.out.println("非線程安全計(jì)數(shù)結(jié)果:"+cas.i);
System.out.println("線程安全計(jì)數(shù)結(jié)果:"+cas.ai.get());
}
/** 使用CAS實(shí)現(xiàn)線程安全計(jì)數(shù)器 */
private void safeCount() {
for (;;) {
int i = ai.get();
// 如果當(dāng)前值 == 預(yù)期值,則以原子方式將該值設(shè)置為給定的更新值
boolean suc = ai.compareAndSet(i, ++i);
if (suc) {
break;
}
}
}
/** 非線程安全計(jì)數(shù)器 */
private void count() {
i++;
}
}
/**
非線程安全計(jì)數(shù)結(jié)果:9942
線程安全計(jì)數(shù)結(jié)果:10000
*/
其中非線程安全計(jì)數(shù)器所計(jì)算的結(jié)果每次都不相同且不正確,而線程安全計(jì)數(shù)器計(jì)算的結(jié)果每次都是正確的。
三、存在的問題
CAS雖然很高效的解決原子操作,但是CAS仍然存在三大問題:ABA問題、循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)開銷大、只能保證一個(gè)共享變量的原子操作。
ABA問題:因?yàn)镃AS需要在操作值的時(shí)候檢查下值有沒有發(fā)生變化,如果沒有發(fā)生變化則更新,但是如果一個(gè)值原來是A,變成了B,又變成了A,那么使用CAS進(jìn)行檢查時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)它的值沒有發(fā)生變化,但是實(shí)際上卻變化了。ABA問題的解決思路就是使用版本號(hào)。在變量前面追加上版本號(hào),每次變量更新的時(shí)候把版本號(hào)加一,那么A-B-A 就會(huì)變成1A-2B-3A。 從Java1.5開始JDK的 atomic包里提供了一個(gè)類AtomicStampedReference 來解決ABA問題。這個(gè)類的 compareAndSet方法作用是首先檢查當(dāng)前引用是否等于預(yù)期引用,并且當(dāng)前標(biāo)志是否等于預(yù)期標(biāo)志,如果全部相等,則以原子方式將該引用和該標(biāo)志的值設(shè)置為給定的更新值。
循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)開銷大:自旋CAS如果長(zhǎng)時(shí)間不成功,會(huì)給CPU帶來非常大的執(zhí)行開銷。如果JVM能支持處理器提供的pause指令那么效率會(huì)有一定的提升,pause指令有兩個(gè)作用,第一它可以延遲流水線執(zhí)行指令(de-pipeline),使CPU不會(huì)消耗過多的執(zhí)行資源,延遲的時(shí)間取決于具體實(shí)現(xiàn)的版本,在一些處理器上延遲時(shí)間是零。第二它可以避免在退出循環(huán)的時(shí)候因內(nèi)存順序沖突(memory order violation)而引起CPU流水線被清空(CPU pipeline flush),從而提高CPU的執(zhí)行效率?!?/p>
只能保證一個(gè)共享變量的原子操作:當(dāng)對(duì)一個(gè)共享變量執(zhí)行操作時(shí),我們可以使用循環(huán)CAS的方式來保證原子操作,但是對(duì)多個(gè)共享變量操作時(shí),循環(huán)CAS就無法保證操作的原子性,這個(gè)時(shí)候就可以用鎖,或者有一個(gè)取巧的辦法,就是把多個(gè)共享變量合并成一個(gè)共享變量來操作。比如有兩個(gè)共享變量i=2,j=a,合并一下ij=2a,然后用CAS來操作ij。從Java1.5開始JDK提供了AtomicReference類來保證引用對(duì)象之間的原子性,你可以把多個(gè)變量放在一個(gè)對(duì)象里來進(jìn)行CAS操作。
以上就是本文的全部?jī)?nèi)容,希望對(duì)大家的學(xué)習(xí)有所幫助,也希望大家多多支持腳本之家。
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