Java——CAS自旋锁

本文介绍了CAS(比较并交换)算法,它是一种无锁的乐观锁。阐述了其算法核心思想、参数含义及操作原理,指出CAS操作天生免疫死锁且不会造成数据不一致问题。还分析了CAS的ABA问题,并介绍了Java中解决该问题的AtomicStampedReference和AtomicMarkableReference原子类,最后对比了自旋锁和互斥锁。

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一、CAS

即比较并交换,CPU指令(很快)

在数据库的锁中,有悲观锁和乐观锁:

悲观锁:假定当前执行的事务会被其它事务影响,所以会对操作的数据一直锁定,在Java中,synchronized就是这样,一旦某一个线程持有了操作对象的锁,其它线程就被阻塞了。

乐观锁:假定当前执行的事务一般不会被影响,所以只有在数据更新时才会去检查是否冲突,如果冲突再执行其他操作。而CAS就是这样一种无锁的乐观锁。

CAS的全称是Compare And Swap 即比较交换,其算法核心思想如下:

CAS(V,E,N)

其包含3个参数

V表示要更新的变量

E表示预期值

N表示新值

       如果V值等于E值,则将V的值设为N。若V值和E值不同,则说明已经有其他线程做了更新,则当前线程什么都不做。通俗的理解就是CAS操作需要我们提供一个期望值,当期望值与当前线程的变量值相同时,说明还没线程修改该值,当前线程可以进行修改,也就是执行CAS操作,但如果期望值与当前线程不符,则说明该值已被其他线程修改,此时不执行更新操作,但可以选择重新读取该变量再尝试再次修改该变量,也可以放弃操作,原理图如下:

由于CAS操作属于乐观派,它总认为自己可以成功完成操作,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,这点从图中也可以看出来。基于这样的原理,CAS操作即使没有锁,同样知道其他线程对共享资源操作影响,并执行相应的处理措施。同时从这点也可以看出,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,也就是说无锁操作天生免疫死锁。

或许我们可能会有这样的疑问,假设存在多个线程执行CAS操作并且CAS的步骤很多,有没有可能在判断V和E相同后,正要赋值时,切换了线程,更改了值。造成了数据不一致呢?答案是否定的,因为CAS是一种系统原语,原语属于操作系统用语范畴,是由若干条指令组成的,用于完成某个功能的一个过程,并且原语的执行必须是连续的,在执行过程中不允许被中断,也就是说CAS是一条CPU的原子指令,不会造成所谓的数据不一致问题。

假设这样一种场景,当第一个线程执行CAS(V,E,U)操作,在获取到当前变量V,准备修改为新值U前,另外两个线程已连续修改了两次变量V的值,使得该值又恢复为旧值,这样的话,我们就无法正确判断这个变量是否已被修改过,这就是典型的CAS的ABA问题,一般情况这种情况发现的概率比较小,可能发生了也不会造成什么问题,比如说我们对某个做加减法,不关心数字的过程,那么发生ABA问题也没啥关系。但是在某些情况下还是需要防止的,那么该如何解决呢?在Java中解决ABA问题,我们可以使用以下两个原子类:

AtomicStampedReference类
AtomicStampedReference原子类是一个带有时间戳的对象引用,在每次修改后,AtomicStampedReference不仅会设置新值而且还会记录更改的时间。当AtomicStampedReference设置对象值时,对象值以及时间戳都必须满足期望值才能写入成功,这也就解决了反复读写时,无法预知值是否已被修改的窘境
底层实现为:通过Pair私有内部类存储数据和时间戳, 并构造volatile修饰的私有实例

接着看AtomicStampedReference类的compareAndSet()方法的实现:

同时对当前数据和当前时间进行比较,只有两者都相等是才会执行casPair()方法,

单从该方法的名称就可知是一个CAS方法,最终调用的还是Unsafe类中的compareAndSwapObject方法

到这我们就很清晰AtomicStampedReference的内部实现思想了,

通过一个键值对Pair存储数据和时间戳,在更新时对数据和时间戳进行比较,

只有两者都符合预期才会调用Unsafe的compareAndSwapObject方法执行数值和时间戳替换,也就避免了ABA的问题。

AtomicMarkableReference类

AtomicMarkableReference与AtomicStampedReference不同的是,

AtomicMarkableReference维护的是一个boolean值的标识,也就是说至于true和false两种切换状态,

经过博主测试,这种方式并不能完全防止ABA问题的发生,只能减少ABA问题发生的概率。

AtomicMarkableReference的实现原理与AtomicStampedReference类似,这里不再介绍。到此,我们也明白了如果要完全杜绝ABA问题的发生,我们应该使用AtomicStampedReference原子类更新对象,而对于AtomicMarkableReference来说只能减少ABA问题的发生概率,并不能杜绝。

自旋锁相对于互斥锁的区别是:互斥锁是利用给对象加锁的机制,让多个线程抢占一个锁去执行。而自旋锁的底层实现是利用CAS算法让线程不停的在循环体内执行,只有当循环的条件被其他线程改变时,才能进入临界区。

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