CAS自旋原理小结

CAS(Compare-and-Swap),即比较并替换;在并发编程中是经常用到的技术,很多并发包中能够看到CAS的影子。

在并发编程中,就拿简单的变量自增操作来说,由于多个线程相互间的切换,即使把自增的变量声明为volatile类型,但也不能保证自增的原子性,往往与预期的值不一致。若想解决这个问题,有以下解决方法:

1、给相应的方法加上同步关键字:synchronized;

2、使用Java并发包原子操作类(Atomic开头)。

而这里通过方法调用,我们可以查看AtomicInteger.getAndIncrement()函数源码,CAS自旋volatile变量,是一种很经典的用法。

CAS需要有3个操作数:内存地址V,旧的预期值A,即将要更新的目标值B。CAS指令执行时,当且仅当内存地址V的值与预期值A相等时,将内存地址V的值修改为B,否则就什么都不做。整个比较并替换的操作是一个原子操作。

AtomicInteger类的getAndIncrement的源代码如下:

     public final int getAndIncrement() {
                 for (;;) {
                       int current = get();  // 取得AtomicInteger里存储的数值
                     int next = current + 1;  // 加1
                     if (compareAndSet(current, next))   // 调用compareAndSet执行原子更新操作
                         return current;
                 }
             }

这段代码解读思路,compareAndSet方法首先判断当前值是否等于current;如果当前值 = current ,说明AtomicInteger的值没有被其他线程修改;如果当前值 != current,说明AtomicInteger的值被其他线程修改了,这时会再次进入循环重新比较。在getAndIncrement方法中,它的做法是:先获取到当前的 value 属性值,然后将 value 加 1,赋值给一个局部的 next 变量,然而,这两步都是非线程安全的,但是内部有一个死循环,不断去做compareAndSet操作,直到成功为止,也就是修改的根本在compareAndSet方法里面。 
我们可以看到在compareAndSet()方法中调用的是sun.misc.Unsafe.compareAndSwapInt(Object obj, long valueOffset, int expect, int update)方法,compareAndSwapInt 基于的是CPU 的 CAS指令来实现的。所以基于 CAS 的操作可认为是无阻塞的,一个线程的失败或挂起不会引起其它线程也失败或挂起。并且由于 CAS 操作是 CPU 原语,所以性能比较好。这就保证了多个线程调用getAndIncrement方法对 value 值得更新都是有效的。所利用的是基于冲突检测的乐观并发策略。 但是可以推演出,这种乐观在线程数目非常多的情况下,失败的概率会指数型增加。

### CAS自旋次数、原理及实现分析 #### 一、CAS自旋的定义与基本原理 CAS(Compare And Swap)是一种无锁算法的核心操作,用于实现线程间的同步而不依赖于传统的锁机制。其核心思想是比较目标变量的当前是否等于预期,如果是,则将其更新为目标;否则不做修改并返回失败标志[^1]。 在多线程环境中,当某个线程未能通过CAS操作成功更新共享资源时,它会不断重试该操作,这种行为被称为“自旋”。自旋的本质是一个忙等待的过程,线程始终保持活动状态而不会进入休眠或阻塞状态[^2]。 --- #### 二、CAS自旋的具体实现 以下是CAS自旋的一个典型实现逻辑: ```java public class SpinLock { private AtomicBoolean locked = new AtomicBoolean(false); public void lock() { while (!locked.compareAndSet(false, true)) { // 使用CAS尝试获取锁 // 如果未成功则继续自旋 } } public void unlock() { locked.set(false); // 释放锁 } } ``` 在这个例子中,`lock()` 方法通过 `compareAndSet` 不断尝试将 `locked` 的从 `false` 修改为 `true`。只有当条件满足时才能成功获取锁,否则线程将继续循环尝试直至成功[^3]。 --- #### 三、CAS自旋的次数控制 由于无限期的自旋可能导致 CPU 占用过高甚至引发性能瓶颈,现代实现通常会对自旋次数加以限制。具体做法如下: 1. **固定最大自旋次数** 设定一个阈,例如允许最多尝试 N 次 CAS 操作。如果达到上限仍未成功,则采取其他措施(如切换至阻塞模式)。这种方式能够有效减少长时间占用 CPU 的风险[^4]。 2. **动态调整策略** 根据系统负载或其他指标实时调节自旋的最大次数。例如,在高竞争场景下适当增加自旋次数以提高吞吐量;而在低竞争环境下降低自旋频率以节省资源[^5]。 3. **超时机制** 结合时间维度设定最长等待期限 T。一旦超过指定时间段仍无法完成 CAS 更新,则终止自旋过程并转交后续处理逻辑。 --- #### 四、CAS自旋的工作机制剖析 - **硬件支持层面** JVM 中的 CAS 操作最终映射到底层机器指令集上的原子操作,比如 x86 架构下的 `LOCK CMPXCHG` 指令。这些原语由处理器直接提供保障,确保跨多个 CPU 核心的操作具备一致性[^5]。 - **软件抽象层次** 在 Java 平台内部,`sun.misc.Unsafe` 提供了一系列 native 方法来封装底层细节。其中就包括了 `compareAndSwapXXX` 家族函数,它们构成了高级 API 如 `AtomicInteger`, `AtomicReference` 等的基础构件[^1]。 --- #### 五、优劣势评估 ##### 优势: - 高效:对于短生命周期临界区而言,避免上下文切换开销使得整体延迟更低。 - 易用性强:无需显式管理信号量或条件变量即可达成简单的互斥效果。 ##### 劣势: - 资源浪费严重:特别是在高争用情况下可能造成长时间无效计算消耗大量算力。 - ABA 问题隐患:单纯依靠数匹配难以区分某些特殊情形下的错误覆盖现象[^3]。 针对这些问题已有多种改进方案提出,诸如引入版本号标记防止虚假冲突以及混合使用轻量化锁升级手段缓解极端状况压力等技术路线均取得良好成效。 ---
评论 1
添加红包

请填写红包祝福语或标题

红包个数最小为10个

红包金额最低5元

当前余额3.43前往充值 >
需支付:10.00
成就一亿技术人!
领取后你会自动成为博主和红包主的粉丝 规则
hope_wisdom
发出的红包
实付
使用余额支付
点击重新获取
扫码支付
钱包余额 0

抵扣说明:

1.余额是钱包充值的虚拟货币,按照1:1的比例进行支付金额的抵扣。
2.余额无法直接购买下载,可以购买VIP、付费专栏及课程。

余额充值