CAS机制

本文深入剖析了CAS(Compare and Swap)机制的基本原理及其在Java中的应用。详细解释了如何通过CAS保证原子操作,以及其在解决ABA问题、循环时间开销大等问题上的策略。此外,还探讨了CAS在Java并发包中的运用。

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  • CAS,Compare and Swap, 翻译成比较并交换: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。
      拿出AtomicInteger来研究在没有锁的情况下是如何做到数据正确性的。
//首先毫无以为,在没有锁的机制下可能需要借助volatile原语,保证线程间的数据是可见的(共享的)。这样才获取变量的值的时候才能直接读取。
private volatile int value;

public final int get() {
        return value;
    }

//然后来看看++i是怎么做到的。
public final int incrementAndGet() {
    for (;;) {
        int current = get();
        int next = current + 1;
        //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。
        if (compareAndSet(current, next))
            return next;
    }
}

整体的过程就是这样子的,利用CPU的CAS指令,同时借助JNI来完成Java的非阻塞算法。其它原子操作都是利用类似的特性完成的。

  • JAVA语言中大量应用,JDK1.7以上版本中Java类几乎全换成这种方式。

  • 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

    • 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。

    • 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。

    • 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。

  • concurrent包的实现,由于java的CAS同时具有 volatile 读和volatile写的内存语义,因此Java线程之间的通信现在有了下面四种方式:
    A线程写volatile变量,随后B线程读这个volatile变量。
    A线程写volatile变量,随后B线程用CAS更新这个volatile变量。
    A线程用CAS更新一个volatile变量,随后B线程用CAS更新这个volatile变量。
    A线程用CAS更新一个volatile变量,随后B线程读这个volatile变量。volatile变量的读/写和CAS可以实现线程之间的通信。把这些特性整合在一起,就形成了整个concurrent包得以实现的基石。
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