并发编程CAS操作
并发编程CAS操作
简介
CAS即compare and swap，中文就是比较并交换
CAS是Java并发包的基石
原理
其实CAS的原理相对来说比较简单。将要被改变的数据和期望的值作比较，当两个值相等时，再将数值替换成新值。
其实通俗的来讲就是"我认为原有的值是什么样子，如果一样则将原有的值更换成新值，否则不做修改，并返回原有的值"。这一系列操作是原子的。
CAS 指的是现代CPU广泛支持的一种对内存中的共享数据进行操作的一种特殊指令
CAS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，否则返回V。这是一种乐观锁的思路
使用CAS可以实现非阻塞无锁的方式实现原子操作
实例
在java并发包中有java.util.concurrent.atomic这样一个包，该包是对Java部分数据类型的原子封装，通过CAS提供了原子性的操作方法，保证了线程安全。
如下代码
public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
private static final long serialVersionUID = 6214790243416807050L;
// 使用Unsafe包来实现CAS操作
private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
private static final long valueOffset;
static {
try {
valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
(AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
} catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}
//使用volatile修饰符保证值value的线程可见性
private volatile int value;
/**
* Creates a new AtomicInteger with the given initial value.
*
* @param initialValue the initial value
*/
public AtomicInteger(int initialValue) {
value = initialValue;
}
/**
* Creates a new AtomicInteger with initial value {@code 0}.
*/
public AtomicInteger() {
}
/**
* 获得当前值
*
* @return the current value
*/
public final int get() {
return value;
}
/**
* 设置值
*
* @param newValue the new value
*/
public final void set(int newValue) {
value = newValue;
}
/**
* Eventually sets to the given value.
*
* @param newValue the new value
* @since 1.6
*/
public final void lazySet(int newValue) {
unsafe.putOrderedInt(this, valueOffset, newValue);
}
/**
* 原子性的设置新值，返回新值
*
* @param newValue the new value
* @return the previous value
*/
public final int getAndSet(int newValue) {
for (;;) {
int current = get();
if (compareAndSet(current, newValue))
return current;
}
}
/**
* 比较内存中的值和预期值，如果相同则更新，否则不进行操作
*
* @param expect the expected value
* @param update the new value
* @return true if successful. False return indicates that
* the actual value was not equal to the expected value.
*/
public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}
/**
* Atomically sets the value to the given updated value
* if the current value {@code ==} the expected value.
*
* <p>May <a href="package-summary.html#Spurious">fail spuriously</a>
* and does not provide ordering guarantees, so is only rarely an
* appropriate alternative to {@code compareAndSet}.
*
* @param expect the expected value
* @param update the new value
* @return true if successful.
*/
public final boolean weakCompareAndSet(int expect, int update) {
return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}
/**
* 原子性的增加1，并返回当前值.
*
* @return the previous value
*/
public final int getAndIncrement() {
for (;;) {
int current = get();
int next = current + 1;
if (compareAndSet(current, next))
return current;
}
}
/**
* 原子性的减少1，并返回当前值.
*
* @return the previous value
*/
public final int getAndDecrement() {
for (;;) {
int current = get();
int next = current - 1;
if (compareAndSet(current, next))
return current;
}
}
/**
* 原子性的增加给定的值，并返回当前值.
*
* @param delta the value to add
* @return the previous value
*/
public final int getAndAdd(int delta) {
for (;;) {
int current = get();
int next = current + delta;
if (compareAndSet(current, next))
return current;
}
}
/**
* 原子性的增加1，并返回更新后的值.
*
* @return the updated value
*/
public final int incrementAndGet() {
for (;;) {
int current = get();
int next = current + 1;
if (compareAndSet(current, next))
return next;
}
}
/**
* 原子性的减少1，并放回更新后的值.
*
* @return the updated value
*/
public final int decrementAndGet() {
for (;;) {
int current = get();
int next = current - 1;
if (compareAndSet(current, next))
return next;
}
}
/**
* 原子性的增加给定的值，并返回更新后的值.
*
* @param delta the value to add
* @return the updated value
*/
public final int addAndGet(int delta) {
for (;;) {
int current = get();
int next = current + delta;
if (compareAndSet(current, next))
return next;
}
}
/**
* Returns the String representation of the current value.
* @return the String representation of the current value.
*/
public String toString() {
return Integer.toString(get());
}
public int intValue() {
return get();
}
public long longValue() {
return (long)get();
}
public float floatValue() {
return (float)get();
}
public double doubleValue() {
return (double)get();
}
}
CAS的缺点
- CAS的ABA问题
问题描述
- 线程p1在共享变量中读取到值A
- p1被抢占,进程p2执行
- p2把共享变量里的值从A改成了B，再改回到A，此时被p1抢占。
- p1回来看到共享变量里的值没有被改变，于是继续执行。
- 维基百科上的例子
你拿着一个装满钱的手提箱在飞机场，此时过来了一个火辣性感的美女，然后她很暖昧地挑逗着你，并趁你不注意的时候，把用一个一模一样的手提箱和你那装满钱的箱子调了个包，然后就离开了，你看到你的手提箱还在那，于是就提着手提箱去赶飞机去了
- CAS的ABA的解决办法
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
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
