并发策略-CAS算法

2019-11-30 16:01:06来源:博客园 阅读 ()

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并发策略-CAS算法

对于并发控制而言,我们平时用的锁(synchronized,Lock)是一种悲观的策略。它总是假设每一次临界区操作会产生冲突,因此,必须对每次操作都小心翼翼。如果多个线程同时访问临界区资源,就宁可牺牲性能让线程进行等待,所以锁会阻塞线程执行。

与之相对的有一种乐观的策略,它会假设对资源的访问是没有冲突的。既然没有冲突也就无需等待了,所有的线程都在不停顿的状态下持续执行。那如果遇到问题了无锁的策略使用一种叫做比较交换(CAS Compare And Swap)来鉴别线程冲突,一旦检测到冲突产生,就重试当前操作直到没有冲突。CAS算法是非阻塞的,它对死锁问题天生免疫,而且它比基于锁的方式拥有更优越的性能。

CAS算法的过程是这样:它包含三个参数 CAS(V,E,N)。V表示要更新的变量,E表示预期的值,N表示新值。仅当V值等于E值时,才会将V的值设置成N,否则什么都不做。最后CAS返回当前V的值。CAS算法需要你额外给出一个期望值,也就是你认为现在变量应该是什么样子,如果变量不是你想象的那样,那说明已经被别人修改过。你就重新读取,再次尝试修改即可。

JDK并发包有一个atomic包,里面实现了一些直接使用CAS操作的线程安全的类型。其中最常用的一个类应该就是AtomicInteger。我们以此为例来研究一下没有锁的情况下如何做到线程安全。

private volatile int value;

这是AtomicInteger类的核心字段,代表当前实际取值,借助volatile保证线程间数据的可见性。

获取内部数据的方法:

public final int get() { 
    return value;
}

我们从源码的实现看看incrementAndGet()的内部实现  

public final int incrementAndGet() {
    for (;;) {
        int current = get();
        int next = current + 1;
        if (compareAndSet(current, next))
            return next;
        }
}

代码第二行使用了一个死循环,原因是:
CAS的操作未必都是成功的,因此对于不成功的情况,我们就需要进行不断的尝试。
第三行取得当前值,接着+1得到新值next。
这里我们使用CAS必需的两个参数:期望值以及新值。
使用compareAndSet()将新值next写入。成功的条件是在写入的时刻当前的值应该要等于刚刚取到的current。如果不是这样则说明AtomicInteger的值在第3行到第5行之间被其他线程修改过了。当前看到的状态是一个过期的状态,因此返回失败,需要进行下一次重试,直到成功为止。

public final boolean compareAndSet(int expect, int update) { 
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}

整体的过程就是这样子,利用CPU的CAS指令,同时借助JNI来完成Java的非阻塞算法。其它原子操作都是利用类似的特性完成的。大概的逻辑应该是这样:

if (this == expect) { 
    this = update return true;
} else { 
    return false;
} 

CAS虽然能高效的解决原子问题,但是CAS也会带来1个经典问题即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。这个类在内部不仅维护了对象值,还维护了一个时间戳(可以是任意的一个整数来表示状态值)。当设置对象值时,对象值和状态值都必须满足期望值才会写入成功。因此即使对象被反复读写,写会原值,只要状态值发生变化,就能防止不恰当的写入。  

/**  
 * @param expectedReference 期望值  
 * @param newReference 写入新值  
 * @param expectedStamp 期望状态值  
 * @param newStamp 新状态值  
 * @return true if successful  
 */  
public boolean compareAndSet(V   expectedReference,
                                 V   newReference, 
                int expectedStamp, 
                int newStamp) {
        Pair<V> current = pair; 
    return expectedReference == current.reference && 
        expectedStamp == current.stamp &&
         ((newReference == current.reference && 
        newStamp == current.stamp) || 
        casPair(current, Pair.of(newReference, newStamp)));
    }

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