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【Java多线程】CAS 详解及Java中的实现

东林梁 2022-03-30 阅读 82

文章目录

1. 乐观锁与悲观锁的概念

锁可以从不同的角度分类。其中,乐观锁和悲观锁是一种分类方式。

悲观锁:

悲观锁就是我们常说的锁。对于悲观锁来说,它总是认为每次访问共享资源时会发生冲突,所以必须对每次数据操作加上锁,以保证临界区的程序同一时间只能有一个线程在执行

乐观锁:

乐观锁又称为“无锁”,顾名思义,它是乐观派。乐观锁总是假设对共享资源的访问没有冲突,线程可以不停地执行,无需加锁也无需等待。而一旦多个线程发生冲突,乐观锁通常是使用一种称为 CAS 的技术来保证线程执行的安全性。

由于无锁操作中没有锁的存在,因此不可能出现死锁的情况,也就是说乐观锁天生免疫死锁

2. CAS 的概念

CAS 的全称是:比较并交换(Compare And Swap)。在CAS中,有这样三个值:

  • V:要更新的变量(var)
  • E:预期值(expected)
  • N:新值(new)

比较并交换的过程如下:

判断 V 是否等于 E,如果等于,将 V 的值设置为 N;如果不等,说明已经有其它线程更新了 V,则当前线程放弃更新,什么都不做。

所以这里的预期值 E 本质上指的是“旧值”

以一个简单的例子来解释这个过程:

  1. 如果有一个多个线程共享的变量 i 原本等于5,现在在线程 A 中,想把它设置为新的值 6;
  2. 使用 CAS 来做这个事情;
  3. 首先我们用 i 去与 5 对比,发现它等于 5,说明没有被其它线程改过,那我就把它设置为新的值 6,此次 CAS 成功,i 的值被设置成了 6;
  4. 如果不等于 5,说明 i 被其它线程改过了(比如现在 i 的值为 2),那么我就什么也不做,此次 CAS 失败,i 的值仍然为 2。

在这个例子中,i 就是 V,5 就是 E,6 就是 N。

那有没有可能我在判断了 i 为 5 之后,正准备更新它的新值的时候,被其它线程更改了 i 的值呢?

不会的。因为 CAS 是一种原子操作,它是一种系统原语,是一条 CPU 的原子指令,从 CPU 层面保证它的原子性

当多个线程同时使用 CAS 操作一个变量时,只有一个会胜出,并成功更新,其余均会失败,但失败的线程并不会被挂起,仅是被告知失败,并且允许再次尝试,当然也允许失败的线程放弃操作。

3. Java 实现 CAS 的原理 - Unsafe 类

前面提到,CAS 是一种原子操作。那么 Java 是怎样来使用 CAS 的呢?我们知道,在 Java 中,如果一个方法是 native 的,那 Java 就不负责具体实现它,而是交给底层的 JVM 使用 C/C++去实现。

在 Java 中,有一个 Unsafe 类,它在 sun.misc 包中。它里面是一些 native 方法,其中就有几个关于 CAS 操作的方法:

boolean compareAndSwapObject(Object o, long offset,Object expected, Object x);
boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset,int expected,int x);
boolean compareAndSwapLong(Object o, long offset,long expected,long x);

当然,这些方法都是 public native 的。

Unsafe 中对 CAS 的实现是 C++ 写的,它的具体实现和操作系统、CPU 都有关系。

Linux 的 X86 下主要是通过 cmpxchgl 这个指令在 CPU 级完成 CAS 操作的,但在多处理器情况下必须使用 lock 指令加锁来完成。当然不同的操作系统和处理器的实现会有所不同,这里不做叙述。

当然,Unsafe 类里面还有其它方法用于不同的用途。比如支持线程挂起和恢复的 park()unpark(), LockSupport 类底层就是调用了这两个方法。还有支持反射操作的 allocateInstance() 方法。

4. 原子操作-AtomicInteger 类源码简析

上面介绍了 Unsafe 类的几个支持 CAS 的方法。那 Java 具体是如何使用这几个方法来实现原子操作的呢?

JDK 提供了一些用于原子操作的原子类,在 java.util.concurrent.atomic 包下面。在 JDK 11 中,有如下17个原子类:

在这里插入图片描述

从名字就可以看得出来这些类大概的用途:

  • 原子更新基本类型
  • 原子更新数组
  • 原子更新引用
  • 原子更新字段(属性)

这里以 AtomicInteger 类的 getAndAdd(int delta) 方法为例,来看看 Java 是如何实现原子操作的。

先看看这个方法的源码:

public final int getAndAdd(int delta) {
    return U.getAndAddInt(this, VALUE, delta);
}

这里的 U 其实就是一个Unsafe对象:

private static final jdk.internal.misc.Unsafe U = jdk.internal.misc.Unsafe.getUnsafe();

所以其实 AtomicInteger 类的 getAndAdd(int delta) 方法是调用 Unsafe 类的方法来实现的:

@HotSpotIntrinsicCandidate
public final int getAndAddInt(Object o, long offset, int delta) {
    int v;
    do {
        v = getIntVolatile(o, offset);
    } while (!weakCompareAndSetInt(o, offset, v, v + delta));
    return v;
}

我们来一步步解析这段源码。首先,对象 othis,也就是一个 AtomicInteger 对象。然后 offset 是一个常量 VALUE 。这个常量是在 AtomicInteger 类中声明的:

private static final long VALUE = U.objectFieldOffset(AtomicInteger.class, "value");

同样是调用的 Unsafe 的方法。从方法名字上来看,是得到了一个对象字段偏移量。

继续看源码。前面讲到,CAS 是“无锁”的基础,它允许更新失败。所以经常会与 while 循环搭配,在失败后不断去重试。

这里声明了一个 v,也就是要返回的值。从 getAndAddInt 来看,它返回的应该是原来的值,而新的值为 v + delta

这里使用的是 do-while 循环。这种循环不多见,它的目的是保证循环体内的语句至少会被执行一遍。这样才能保证 return 的值 v 是所期望的值。

循环体的条件是一个 CAS 方法:

public final boolean weakCompareAndSetInt(Object o, long offset,
                                          int expected,
                                          int x) {
    return compareAndSetInt(o, offset, expected, x);
}

public final native boolean compareAndSetInt(Object o, long offset,
                                             int expected,
                                             int x);

可以看到,最终其实是调用之前说到的 CAS native 方法。那为什么要经过一层 weakCompareAndSetInt 呢?从 JDK 源码上看不出来什么。在 JDK 8 及之前的版本,这两个方法是一样的。

简单来说,weakCompareAndSet 操作仅保留了 volatile 自身变量的特性,而除去了 happens-before 规则带来的内存语义。也就是说,weakCompareAndSet 无法保证处理操作目标的 volatile 变量外的其他变量的执行顺序(编译器和处理器为了优化程序性能而对指令序列进行重新排序),同时也无法保证这些变量的可见性。这在一定程度上可以提高性能。

再回到循环条件上来,可以看到它是在不断尝试去用 CAS 更新。如果更新失败,就继续重试。那为什么要把获取“旧值” v 的操作放到循环体内呢?其实这也很好理解。前面说了,CAS 如果旧值 V 不等于预期值 E,它就会更新失败。说明旧的值发生了变化。那当然需要返回的是被其他线程改变之后的旧值了,因此放在了 do 循环体内。

5. CAS实现原子操作的三大问题

这里介绍一下 CAS 实现原子操作的三大问题及其解决方案。

5.1 ABA 问题

所谓 ABA 问题,就是一个值原来是 A,变成了 B,又变回了 A。这个时候使用 CAS 是检查不出变化的,但实际上却被更新了两次

ABA 问题的解决思路是在变量前面追加上版本号或者时间戳。从 JDK 1.5 开始,JDK 的 atomic 包里提供了一个类 AtomicStampedReference 类来解决 ABA 问题。

这个类的 compareAndSet 方法的作用是首先检查当前引用是否等于预期引用,并且检查当前标志是否等于预期标志,如果二者都相等,才使用 CAS 设置为新的值和标志。

public boolean compareAndSet(V   expectedReference,
                             V   newReference,
                             int expectedStamp,
                             int newStamp) {
    Pair<V> current = pair;
    return
        expectedReference == current.reference &&
        expectedStamp == current.stamp &&
        ((newReference == current.reference &&
          newStamp == current.stamp) ||
         casPair(current, Pair.of(newReference, newStamp)));
}

5.2 循环时间长开销大

CAS 多与自旋结合。如果自旋 CAS 长时间不成功,会占用大量的 CPU 资源

解决思路是让 JVM 支持处理器提供的 pause 指令

pause 指令能让自旋失败时 CPU 睡眠一小段时间再继续自旋,从而使得读操作的频率低很多,为解决内存顺序冲突而导致的 CPU 流水线重排的代价也会小很多。

5.3 只能保证一个共享变量的原子操作

这个问题有两种解决方案:

  1. 使用 JDK 1.5 开始就提供的 AtomicReference 类保证对象之间的原子性,把多个变量放到一个对象里面进行 CAS 操作
  2. 使用锁。锁内的临界区代码可以保证只有当前线程能操作。
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