Java并发/多线程-CAS原理分析

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什么是CAS

CAS 即 compare and swap,比较并交换。

CAS是一种原子操作,同时 CAS 使用乐观锁机制。

J.U.C中的很多功能都是建立在 CAS 之上,各种原子类,其底层都用 CAS来实现原子操作。用来解决并发时的安全问题。

并发安全问题

举一个典型的例子i++

public class AddTest {
  public volatile int i;
  public void add() {
    i++;
  }
}

通过javap -c AddTest可以看到add 方法的字节码指令:

public void add();
    Code:
       0: aload_0
       1: dup
       2: getfield      #2                  // Field i:I
       5: iconst_1
       6: iadd
       7: putfield      #2                  // Field i:I
      10: return

i++被拆分成了多个指令:

  1. 执行getfield拿到原始内存值;
  2. 执行iadd进行加 1 操作;
  3. 执行putfield写把累加后的值写回内存。

假设一种情况:

  • 线程 1 执行到iadd时,由于还没有执行putfield,这时候并不会刷新主内存区中的值。
  • 此时线程 2 进入开始运行,刚刚将主内存区的值拷贝到私有内存区。
  • 线程 1正好执行putfield,更新主内存区的值,那么此时线程 2 的副本就是旧的了。错误就出现了。

如何解决?

最简单的,在 add 方法加上 synchronized 。

public class AddTest {
  public volatile int i;
  public synchronized void add() {
    i++;
  }
}

虽然简单,并且解决了问题,但是性能表现并不好。

最优的解法应该是使用JDK自带的CAS方案,如上例子,使用AtomicInteger

public class AddIntTest {
  public AtomicInteger i;
  public void add() {
    i.getAndIncrement();
  }
}

底层原理

CAS 的原理并不复杂:

  • 三个参数,一个当前内存值 V、预期值 A、更新值 B
  • 当且仅当预期值 A 和内存值 V 相同时,将内存值修改为 B 并返回 true
  • 否则什么都不做,并返回 false

AtomicInteger 类分析,先来看看源码:

我这里的环境是Java11,如果是Java8这里一些内部的一些命名有些许不同。

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 6214790243416807050L;

    /*
     * This class intended to be implemented using VarHandles, but there
     * are unresolved cyclic startup dependencies.
     */
    private static final jdk.internal.misc.Unsafe U = jdk.internal.misc.Unsafe.getUnsafe();
    private static final long VALUE = U.objectFieldOffset(AtomicInteger.class, "value");

    private volatile int value;
  
		//...
}

Unsafe 类,该类对一般开发而言,少有用到。

Unsafe 类底层是用 C/C++ 实现的,所以它的方式都是被 native 关键字修饰过的。

它可以提供硬件级别的原子操作,如获取某个属性在内存中的位置、修改对象的字段值。

关键点:

  • AtomicInteger 类存储的值在 value 字段中,而value字段被volatile

  • 在静态代码块中,并且获取了 Unsafe 实例,获取了 value 字段在内存中的偏移量 VALUE

接下回到刚刚的例子:

如上,getAndIncrement() 方法底层利用 CAS 技术保证了并发安全。

public final int getAndIncrement() {
  return U.getAndAddInt(this, VALUE, 1);
}

getAndAddInt() 方法:

public final int getAndAddInt(Object o, long offset, int delta) {
  int v;
  do {
    v = getIntVolatile(o, offset);
  } while (!weakCompareAndSetInt(o, offset, v, v + delta));
  return v;
}

v 通过 getIntVolatile(o, offset)方法获取,其目的是获取 ooffset 偏移量的值,其中 o 就是 AtomicInteger 类存储的值,即valueoffset 内存偏移量的值,即 VALUE

重点weakCompareAndSetInt 就是实现 CAS 的核心方法

  • 如果 ov相等,就证明没有其他线程改变过这个变量,那么就把 v 值更新为 v + delta,其中 delta 是更新的增量值。
  • 反之 CAS 就一直采用自旋的方式继续进行操作,这一步也是一个原子操作。

分析:

  • 设定 AtomicInteger 的原始值为 A,线程 1线程 2 各自持有一份副本,值都是 A。
  1. 线程 1 通过getIntVolatile(o, offset)拿到 value 值 A,这时线程 1 被挂起。
  2. 线程 2 也通过getIntVolatile(o, offset)方法获取到 value 值 A,并执行weakCompareAndSetInt方法比较内存值也为 A,成功修改内存值为 B。
  3. 这时线程 1 恢复执行weakCompareAndSetInt方法比较,发现自己手里的值 A 和内存的值 B 不一致,说明该值已经被其它线程提前修改过了。
  4. 线程 1 重新执行getIntVolatile(o, offset)再次获取 value 值,因为变量 value 被 volatile 修饰,具有可见性,线程A继续执行weakCompareAndSetInt进行比较替换,直到成功

CAS需要注意的问题

使用限制

CAS是由CPU支持的原子操作,其原子性是在硬件层面进行保证的,在Java中普通用户无法直接使用,只能借助atomic包下的原子类使用,灵活性受限。

但是CAS只能保证单个变量操作的原子性,当涉及到多个变量时,CAS无能为力。

原子性也不一定能保证线程安全,如在Java中需要与volatile配合来保证线程安全。

ABA 问题

概念

CAS 有一个问题,举例子如下:

  • 线程 1 从内存位置 V 取出 A
  • 这时候线程 2 也从内存位置 V 取出 A
  • 此时线程 1 处于挂起状态,线程 2 将位置 V 的值改成 B,最后再改成 A
  • 这时候线程 1 再执行,发现位置 V 的值没有变化,符合期望继续执行。

此时虽然线程 1还是成功了,但是这并不符合我们真实的期望,等于线程 2狸猫换太子线程 1耍了。

这就是所谓的ABA问题

解决方案

引入原子引用,带版本号的原子操作。

把我们的每一次操作都带上一个版本号,这样就可以避免ABA问题的发生。既乐观锁的思想。

  • 内存中的值每发生一次变化,版本号都更新。

  • 在进行CAS操作时,比较内存中的值的同时,也会比较版本号,只有当二者都没有变化时,才能执行成功。

  • Java中的AtomicStampedReference类便是使用版本号来解决ABA问题的。

高竞争下的开销问题

  • 在并发冲突概率大的高竞争环境下,如果CAS一直失败,会一直重试,CPU开销较大。

  • 针对这个问题的一个思路是引入退出机制,如重试次数超过一定阈值后失败退出。

  • 更重要的是避免在高竞争环境下使用乐观锁。

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