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JAVA-CAS简介以及ABA问题

2015-12-17 18:56 it面试宝典

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  1. 1. CAS简介

    1. 1.1. 举例

    2. 1.2. 语义

  2. 2. CAS缺点

    1. 2.1. ABA问题

    2. 2.2. 循环时间长开销大

    3. 2.3. 只能保证一个共享变量的原子操作

  3. 3. 使用AtomicStampedReference解决ABA问题

CAS简介

java.util.concurrent包完全建立在CAS之上的,没有CAS就不会有此包。可见CAS的重要性。 CAS:Compare and Swap, 翻译成比较并交换。 java.util.concurrent包中借助CAS实现了区别于synchronouse同步锁的一种乐观锁
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,否则什么都不做。

举例

AtomicInteger来说

public final int incrementAndGet() {
for (;;) {
int current = get();
int next = current + 1;
if (compareAndSet(current, next))
return next;
}
}
//compareAndSet如下,valueOffset这货就是内存地址
//比较current的值是否和内存里的值相同,如果是,将内存值设置为next
public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}



语义

CAS原子操作在维基百科中的代码描述如下,也就是检查内存*reg里的值是不是oldval,如果是的话,则对其赋值newval:


int compare_and_swap(int* reg, int oldval, int newval){
ATOMIC();
int old_reg_val = *reg;
if (old_reg_val == oldval)
*reg = newval;
END_ATOMIC();
return old_reg_val;
}



上面的代码总是返回old_reg_value,调用者如果需要知道是否更新成功还需要做进一步判断,为了方便,它可以变种为直接返回是否更新成功,如下:


bool compare_and_swap (int *accum, int *dest, int newval){
if ( *accum == *dest ) {
*dest = newval;
return true;
}
return false;
}



CAS操作是硬件层面的原语,是原子操作。

CAS缺点

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。 关于ABA问题参考文档:(http://blog.hesey.net/2011/09/resolve-aba-by-atomicstampedreference.html)

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。



使用AtomicStampedReference解决ABA问题

各种乐观锁的实现中通常都会用版本戳version来对记录或对象标记,避免并发操作带来的问题,在Java中,AtomicStampedReference 也实现了这个作用,它通过包装[E,Integer]的元组来对对象标记版本戳stamp,从而避免ABA问题,例如下面的代码分别用AtomicInteger和AtomicStampedReference来对初始值为100的原子整型变量进行更新,AtomicInteger会成功执行CAS操作,而加上版本戳的AtomicStampedReference对于ABA问题会执行CAS失败:


import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicStampedReference;
public class ABA {
private static AtomicInteger atomicInt = new AtomicInteger(100);
private static AtomicStampedReference atomicStampedRef = new AtomicStampedReference(100, 0);
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread intT1 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {

atomicInt.compareAndSet(100, 101);
atomicInt.compareAndSet(101, 100);
}
});
Thread intT2 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {

try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
} catch (InterruptedException e) {
}
boolean c3 = atomicInt.compareAndSet(100, 101);
System.out.println(c3); // true
}
});
intT1.start();
intT2.start();
intT1.join();
intT2.join();
Thread refT1 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {

try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
} catch (InterruptedException e) {
}
atomicStampedRef.compareAndSet(100, 101, atomicStampedRef.getStamp(), atomicStampedRef.getStamp() + 1);
atomicStampedRef.compareAndSet(101, 100, atomicStampedRef.getStamp(), atomicStampedRef.getStamp() + 1);
}
});
Thread refT2 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {

int stamp = atomicStampedRef.getStamp();
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
} catch (InterruptedException e) {
}
boolean c3 = atomicStampedRef.compareAndSet(100, 101, stamp, stamp + 1);
System.out.println(c3); // false
}
});
refT1.start();
refT2.start();
}
}





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