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Java的CAS操作原创

11月前
165033

介绍 CAS

技术是为了解决问题而生的,通过 CAS 我们可以以无锁的方式,保证对共享数据进行 “读取 - 修改 - 写回” 操作序列的正确性。

CAS 是乐观锁设计思想的实现。CAS 的思想是:在“读取 - 修改 - 写回”操作序列中,先读取并修改数据,写回数据前先判断读取数据后的这段时间内数据是否发生变化(共享变量的当前值是否是我们的期望值):

  • 如果在此期间数据没有发生变化(共享资源的当前值是我们的期望值),那么就把修改后的值写回
  • 如果在此期间其他的线程修改了数据,数据发生了变化(共享资源的当前值不是我们的期望值),那么就放弃本次写回操作,再基于最新的数据进行修改然后重试,避免发生数据更新丢失

CAS 更加底层的实现依赖于 CPU 提供的特定指令,具体根据体系结构的不同还存在着明显区别。比如,x86 CPU 提供 cmpxchg 指令;而在精简指令集的体系架构中,则通常是靠一对指令(如“load and reserve”和“store conditional”)实现的。在大多数处理器上 CAS 都是非常轻量级的操作,这也是其优势所在。

Java 的 CAS 操作

CAS 依赖于 Unsafe 类提供的一些底层能力,进行底层操作。

/**
 * Atomically update Java variable to x if it is currently
 * holding expected.
 * @return true if successful
 */
public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset,
                                              int expected,
                                              int x);

在调用 compareAndSwap() 方法时,我们需要传入需要修改的共享变量、对象偏移量、我们期望的变量当前值、要写回的值。如果变量的当前值和我们的期望值相等,则写回成功,返回 true,否则写回失败,返回 false。

Unsafe 类是 Java 提供的一个操作内存的非安全类,操作对象和对应的变量来完成 CAS 操作。显然 Unsafe 类过于底层,调用 Unsafe 类的方法不是大多数应用场景的最好选择。目前 Java 提供了两种公共 API,可以实现 CAS 操作:

  • 一种是 Atomic 原子类。Atomic 包中的类对 Unsafe 类进行了封装,使我们可以更方便的使用 CAS 操作。Atomic 包提供了常见的原子性数据类型,甚至是引用、数组等相关原子类型和原子更新操作工具。
  • 还有一种是 Variable Handle API,它源自于JEP 193,提供了各种粒度的原子或者有序性的操作等。

CAS 的优劣局限

CAS 的优点:在大多数处理器上 CAS 都是非常轻量级的操作。


CAS 的局限:

  • CAS 操作是针对一个共享变量的,如果需要解决多个变量的原子性问题,建议还是使用互斥锁方案。
  • 存在 ABA 问题:当一个线程在进行 CAS 操作时,另一个线程可能会在此期间修改了同一个共享变量的值,然后又将其改回原来的值。这种情况下,CAS 操作就无法检测到共享变量值的变化,从而导致 ABA 问题。如果我们仅仅在写回数据前判断数值是 A,可能导致不合理的写回操作。针对这种情况,Java 提供了 AtomicStampedReference 工具类,通过为对象引用建立类似版本号(stamp)的方式,来解决 ABA 问题,保证 CAS 的正确性。
  • 如果有大量的线程同时对一个共享变量进行 CAS 操作,竞争过于激烈的情况下,尝试进行 CAS 操作的线程只会白白消耗处理器资源,而不会做任何有价值的工作,这就会带来性能的浪费。
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月明风清
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