多线程（6）-Compare-and-swap

最新推荐文章于 2024-11-03 21:17:30 发布

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文章标签： java python

原文链接：https://my.oschina.net/haoran100/blog/716215

本文介绍了Java中利用原子类实现线程安全的操作，并深入探讨了底层CPU的CAS指令及其在非阻塞算法中的应用。此外，还讨论了CAS存在的问题如ABA问题及解决方案。

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1、java原子类

在java.util.concurrent.atomic下有一些原子操作类，例如：

java.util.concurrent.atomic.AtomicBoolean;

java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerArray;

java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerFieldUpdater;

有一些类似的方法，比如：

AtomicBoolean有 public final boolean compareAndSet(boolean expect, boolean update) ;
AtomicInteger有 public final boolean compareAndSet(int expect, int update) ;

等等，基本上都有这么一个compareAndSet方法。

compareAndSet主要做了三件事

比较expect是否与当前数据相等
如果相等，把当前数据更新为update
最重要的是，这两步是原子操作，在多线程是安全的
在很多场景中使用这些原子操作，可以设计一些线程安全操作，例如使用AtomicBoolean优雅初始化资源

2、CPU CAS指令

通过查看AtomicBoolean的源代码发现，调用了Unsafe JNI代码：

package java.util.concurrent.atomic;
import sun.misc.Unsafe;

public class AtomicBoolean implements java.io.Serializable {
    
    private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
    
    public final boolean compareAndSet(boolean expect, boolean update) {
        int e = expect ? 1 : 0;
        int u = update ? 1 : 0;
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, e, u);
    }
    ...
}

而unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, e, u)，这段代码本质则是调用了CPU的CAS底层指令,see here
通过CAS指令，在加上一些非阻塞算法，就可以写出多线程安全的乐观锁。关于非阻塞算法

3、CAS一些问题

CAS虽然很高效的解决原子操作，但是CAS仍然存在一些问题。ABA问题，循环时间长开销大。

1.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。关于ABA问题参考文档

2. 循环时间长开销大。

如果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。