CAS实践

如何保证 account.withdraw 取款方法的线程安全？

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
interface Account {
    // 获取余额
    Integer getBalance();
    // 取款
    void withdraw(Integer amount);
    
    /**
     * 方法内会启动 1000 个线程，每个线程做 -10 元 的操作
     * 如果初始余额为 10000 那么正确的结果应当是 0
     */
    static void demo(Account account) {
        List<Thread> ts = new ArrayList<>();
        long start = System.nanoTime();
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            ts.add(new Thread(() -> {
                account.withdraw(10);
            }));
        }
        ts.forEach(Thread::start);
        ts.forEach(t -> {
            try {
                t.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
        long end = System.nanoTime();
        System.out.println(account.getBalance() 
                           + " cost: " + (end-start)/1000_000 + " ms");
    }
}

原有实现并不是线程安全的

class AccountUnsafe implements Account {
    private Integer balance;
    public AccountUnsafe(Integer balance) {
        this.balance = balance;
    }
    @Override
    public Integer getBalance() {
        return balance;
    }
    @Override
    public void withdraw(Integer amount) {
        balance -= amount;
    }
}

执行测试代码

public static void main(String[] args) {
 Account.demo(new AccountUnsafe(10000));
}

某次的执行结果

330 cost: 306 ms

为什么不安全?

withdraw 方法

public void withdraw(Integer amount) {
 balance -= amount;
}

   在 Java 中，在多线程环境中共享一个可变的状态（在这种情况下，是余额 balance），当多个线程需要修改这个状态时，需要确保这些修改是互斥的，即一次只有一个线程可以进行修改，以防止数据的不一致性

不管是 Integer 还是 int 类型，withdraw 方法中的以下序列操作不是原子的：

1. 读取当前余额 (balance)
2. 计算新余额（当前余额 - 取款金额）
3. 写入新余额

操作系统在执行多线程应用程序时，即使在单核处理器上，也会进行线程上下文切换。这意味着即使一个线程在执行 withdraw 方法的过程中，它也可能在任何步骤中被操作系统暂停，以便另一个线程可以运行。如果另一个线程也调用 withdraw 方法，它可能会在第一个线程完成余额更新之前读取和修改余额，导致两个线程看到的是同一个初始余额，并基于这个相同的值执行减法操作，最终导致余额减少的总量小于应有的数额。

  为了确保线程安全并避免竞态条件，需要使用同步机制，如 synchronized 关键字，或使用 java.util.concurrent 包中的一些线程安全的类和原子操作。例如，使用 AtomicInteger 替代 int 将使 withdraw 操作原子化，从而确保在多线程环境中正确更新余额

解决思路 - 加锁

给 Account 对象加锁

class AccountUnsafe implements Account {
    private Integer balance;
    public AccountUnsafe(Integer balance) {
        this.balance = balance;
    }
    @Override
    public synchronized Integer getBalance() {
        return balance;
    }
    @Override
    public synchronized void withdraw(Integer amount) {
        balance -= amount;
    }
}

执行结果

0 cost: 399 ms

解决思路 - CAS

class AccountSafe implements Account {
    private AtomicInteger balance;
    public AccountSafe(Integer balance) {
        this.balance = new AtomicInteger(balance);
    }
    @Override
    public Integer getBalance() {
        return balance.get();
    }
    @Override
    public void withdraw(Integer amount) {
        while (true) {
            int prev = balance.get();
            int next = prev - amount;
            if (balance.compareAndSet(prev, next)) {
                break;
            }
        }
        // 或者 简化为下面的方法
        // balance.addAndGet(-1 * amount);
    }
}

执行结果（经测，比加 synchronized 锁的方式更快）

0 cost: 301 ms

AtomicInteger 的解决方法，内部并没有用锁来保护共享变量的线程安全。那么它是如何实现的呢？

public void withdraw(Integer amount) {
    // 需要不断尝试，直到成功为止
    while (true) {
        // 比如拿到了旧值 1000
        int prev = balance.get();
        // 在这个基础上 1000-10 = 990
        int next = prev - amount;
        /*
          compareAndSet 正是做这个检查，在 set 前，先比较 prev 与当前值
          - 不一致了，next 作废，返回 false 表示失败
          比如，别的线程已经做了减法，当前值已经被减成了 990
          那么本线程的这次 990 就作废了，进入 while 下次循环重试
          - 一致，以 next 设置为新值，返回 true 表示成功
        */
        if (balance.compareAndSet(prev, next)) {
            break;
        }
    }
}

其中的 compareAndSet，它的简称就是 CAS （也叫做 Compare And Swap），它必须是原子操作

  CAS 的底层是 lock cmpxchg 指令（X86 架构），在单核 CPU 和多核 CPU 下都能够保证【比较-交 换】的原子性

  在多核状态下，某个核执行到带 lock 的指令时，CPU 会让总线锁住，当这个核把此指令执行完毕，再开启总线。这个过程中不会被线程的调度机制所打断，保证了多个线程对内存操作的准确性，是原子的

CAS 需要 volatile 的支持

  获取共享变量时，为了保证该变量的可见性，需要使用 volatile 修饰。它可以用来修饰成员变量和静态成员变量，他可以避免线程从自己的工作缓存中查找变量的值，必须到主存中获取变量的值，线程操作 volatile 变量都是直接操作主存。即一个线程对 volatile 变量的修改，对另一个线程可见

  CAS 必须借助 volatile 才能读取到共享变量的最新值来实现【比较并交换】的效果，例如 AtomicInteger 内部：

volatile 仅仅保证了共享变量的可见性，让其它线程能够看到最新值，但不能解决指令交错问题（不能保证原子性）

CAS 的特点

结合 CAS 和 volatile 可以实现无锁并发，适用于：

1. 线程数少（竞争不激烈）
2. 多核 CPU

的场景下（为什么适用于多核CPU， 因为无锁情况下，线程要保持运行（一直while），需要额外 CPU 的支持，CPU 在这里就好比高速跑道，没有额外的跑道，线程想高速运行也无从谈起，虽然不会进入阻塞，但由于没有分到时间片，仍然会进入可运行状态，还是会导致上下文切换）

• CAS 是基于乐观锁的思想：最乐观的估计，不怕别的线程来修改共享变量，就算改了也没关系，一直while 循环重试
• synchronized 是基于悲观锁的思想：最悲观的估计，得防着其它线程来修改共享变量，上了锁其他线程都别想改，改完了解开锁，其他线程才有机会
• CAS 体现的是无锁并发、无阻塞并发（ 无锁情况下，即使重试失败，线程始终在高速运行，没有停歇，而 synchronized 会让线程在没有获得锁的时候，发生上下文切换，进入阻塞）
  • 因为没有使用 synchronized，所以线程不会陷入阻塞，这是效率提升的因素之一
  • 但如果竞争激烈，可以想到重试必然频繁发生，反而效率会受影响