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深入理解java CAS算法

三僡然 340

前言:

现在各位老铁们对“cas算法 java中的应用”都比较着重,朋友们都需要学习一些“cas算法 java中的应用”的相关文章。那么小编同时在网摘上搜集了一些对于“cas算法 java中的应用””的相关文章,希望小伙伴们能喜欢,看官们快快来学习一下吧!

计数器

让我们编写一个计数器代码.

public class MyApp{ private volatile int count = 0; public void upateVisitors()  { ++count; //increment the visitors count }}

这段代码有什么问题吗?

如果多个线程尝试更新计数会发生什么?

实际上问题只是标记计数,因为volatile不能保证原子性,而且++ count不是原子操作。

如果我们将方法标记为synchronized 来解决这个问题。

public class MyApp{ private int count = 0; public synchronized void upateVisitors()  { ++count; //increment the visitors count }}

修改代码变成了原子并且是线程安全的,那么现在还有其他问题吗?存在的问题是利用锁实现原理会带来额外的性能开销。

继续优化代码如果我们使用AtomicInteger来跟踪计数。

public class MyApp{ private AtomicInteger count = new AtomicInteger(0); public void upateVisitors()  { count.incrementAndGet(); //increment the visitors count }}

AtomicInteger,AtomicLong等使用CAS。

CAS没有使用锁而是使用了无锁的实现方式。

CAS

CAS:Compare and Swap, 翻译成比较并交换。

java.util.concurrent包中借助CAS实现了区别于synchronouse同步锁的一种乐观锁。

CAS应用

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。

现代的CPU提供了特殊的指令,可以自动更新共享数据,而且能够检测到其他线程的干扰,而 compareAndSet() 就用这些代替了锁定。

以AtomicInteger 为例++i是如何实现的。

public final int incrementAndGet() { for (;;) { int current = get(); int next = current + 1; if (compareAndSet(current, next)) return next; }}

在这里采用了CAS操作,每次从内存中读取数据然后将此数据和+1后的结果进行CAS操作,如果成功就返回结果,否则重试直到成功为止。

而compareAndSet利用JNI来完成CPU指令的操作。

public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {  return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update); }

CAS原理

CAS通过调用JNI的代码实现的。JNI:Java Native Interface为JAVA本地调用,允许java调用其他语言。

而compareAndSwapInt就是借助C来调用CPU底层指令实现的。

下面从分析比较常用的CPU(intel x86)来解释CAS的实现原理。

关于CPU的锁有如下3种:

1.处理器自动保证基本内存操作的原子性。

2.使用总线锁保证原子性。

3.使用缓存锁保证原子性。

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

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。

关于ABA问题参考文档:

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。

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。

参考文档:

标签: #cas算法 java中的应用