深入理解 Java 中的 CAS

2020-04-08 本文已影响0人张贤同学

Java 中的synchronized是一种悲观锁，悲观锁始终假设会发生并发冲突，因此会阻止一切可能违反数据完整性的操作。而 CAS 是一种乐观锁
CAS 全称是 Compare and Swap。乐观锁假设不会发生并发冲突，因此只在提交的时候检查是否违反数据完整性，如果提交失败则会进行重试。

CAS 支持原子更新操作，适用于计数器，序列发生器等场景。CAS 操作失败时由开发者决定是继续尝试，还是执行别的操作。

CAS 的思想：
CAS机制当中使用了3个基本操作数：内存地址V，旧的预期值A，要修改的新值B。

更新一个变量的时候，只有当变量的预期值A和内存地址V当中的实际值相同时，才会将内存地址V对应的值修改为B。

public class CASCase {
    public volatile int value;

    public void add(){
        value++;
    }
}

使用javap查看编译后的add()方法中的value++的字节码如下：


2: getfield      #2                  // Field value:I
5: iconst_1
6: iadd
7: putfield      #2                  // Field value:I

可以看到value++被分成了三步，虽然value变量使用了volatile修饰，对value++操作禁止了指令重排序，但是value++不是原子性操作，在多线程并发下还是会产生线程安全问题。一种解决的办法是给add()方法加上synchronized关键字，但是synchronized属于悲观锁，是否能够进一步提升性能呢？其实还可以使用AtomicInteger来满足我们的要求

public class CASCase {
    public AtomicInteger value;

    public void add(){
        value.getAndIncrement();
    }
}

在getAndIncrement()方法底层调用的是Unsafe类的compareAndSetInt方法，用到的就是 CAS 的思想。

CAS 多数情况下对开发者来说是透明的。J.U.C 的 atomic 包提供了常用了原子性数据类型以及引用、
数组等相关原子类型和更新操作工具，是很多线程安全程序的首选。Unsafe 类虽然提供 CAS 服务，但是因为能够操纵任意内存地址读写而有隐患。在 Java9 之后，可以使用 Variable Handle API 来替代 Unsafe。

CAS 虽然很高效，但是也有缺点：

CAS 若循环时间长，则开销很大。我们可以看到在Unsafe类的getAndAddInt()执行时，如果 CAS 失败，会一直循环尝试进行 CAS 赋值，如果长时间都在循环，会给 CPU 带来很大开销
CAS 只能保证一个共享变量的原子操作，但无法保证对多个共享变量的原子性操作
ABA 问题。如果一个变量在进行 CAS 操作第一次读取时是 A，中间被其他操作改成了 B，又改回了 A，等到 CAS 操作第二次读取的时候也是 A，CAS 就会误认为这个变量从来没有被改变过。在一些场景中，ABA 问题可能会影响程序的并发正确性。为了解决这个问题，J.U.C 提供了AtomicStampedReference，可以通过变量值的版本来保证 CAS 的正确性。不过在 ABA 问题下，可能用传统的加锁互斥的方法更加高效。

原文发表于：https://zhangxiann.com/archives/cas
欢迎关注我的博客：zhangxiann.com

深入理解 Java 中的 CAS

猜你喜欢

热点阅读