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全面了解Java中的CAS机制

2023-05-31 00:45

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前言

在看到Java锁机制的时候,无意中看到了CAS这个词,然后在百度查找CAS看了很多文章始终没有看的太懂,今天又在Google上查找了一些资料,才算是真正弄清楚了CAS机制。

什么是CAS

在jdk 1.5中增加的一个最主要的支持是Atomic类,比如说AtomicInteger, AtomicLong,这些类可帮助最大限度地减少在多线程中对于一些基本操作(例如,增加或减少多个线程之间共享的值)的复杂性。而这些类的实现都依赖于CAS(compare and swap)的算法。

乐观锁和悲观锁

cpu是时分复用的,也就是把cpu的时间片,分配给不同的thread/process轮流执行,时间片与时间片之间,需要进行cpu切换,也就是会发生进程的切换。切换涉及到清空寄存器,缓存数据。然后重新加载新的thread所需数据。当一个线程被挂起时,加入到阻塞队列,在一定的时间或条件下,在通过notify(),notifyAll()唤醒回来。在某个资源不可用的时候,就将cpu让出,把当前等待线程切换为阻塞状态。等到资源(比如一个共享数据)可用了,那么就将线程唤醒,让他进入runnable状态等待cpu调度。这就是典型的悲观锁的实现。独占锁是一种悲观锁,synchronized就是一种独占锁,它假设最坏的情况,并且只有在确保其它线程不会造成干扰的情况下执行,会导致其它所有需要锁的线程挂起,等待持有锁的线程释放锁。

但是,由于在进程挂起和恢复执行过程中存在着很大的开销。当一个线程正在等待锁时,它不能做任何事,所以悲观锁有很大的缺点。举个例子,如果一个线程需要某个资源,但是这个资源的占用时间很短,当线程第一次抢占这个资源时,可能这个资源被占用,如果此时挂起这个线程,可能立刻就发现资源可用,然后又需要花费很长的时间重新抢占锁,时间代价就会非常的高。

乐观锁思路就是,每次不加锁而是假设没有冲突而去完成某项操作,如果因为冲突失败就重试,直到成功为止。某个线程可以不让出cpu,而是一直while循环,如果失败就重试,直到成功为止。所以,当数据争用不严重时,乐观锁效果更好。比如CAS就是一种乐观锁思想的应用。

CAS(Compare and Swap )算法

CAS中有三个核心参数:

主内存中存放的V值,所有线程共享。

线程上次从内存中读取的V值A存放在线程的帧栈中,每个线程私有。

需要写入内存中并改写V值的B值。也就是线程对A值操作后放入到主存V中。

上面说的比较抽象,看下面的这幅图比较容易理解。

全面了解Java中的CAS机制

如上图中,主存中保存V值,线程中要使用V值要先从主存中读取V值到线程的工作内存A中,然后计算后变成B值,最后再把B值写回到内存V值中。多个线程共用V值都是如此操作。CAS的核心是在将B值写入到V之前要比较A值和V值是否相同,如果不相同证明此时V值已经被其他线程改变,重新将V值赋给A,并重新计算得到B,如果相同,则将B值赋给V。

如果不使用CAS机制,看看存在什么问题,假如V=1,现在Thread1要对V进行加1,Thread2也要对V进行加1,首先Thread1读取V=1到自己工作内存A中此时A=1,假设Thread2此时也读取V=1到自己的工作内存A中,分别进行加1操作后,两个线程中B的值都为2,此时写回到V中时发现V的值为2,但是两个线程分别对V进行加处理结果却只加了1有问题。

CAS核心代码

if (A==V){  V = B  return B;}   else  return V;

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