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实现CAS自旋锁

article 2024/11/13 9:02:10

CAS

在高并发场景，可以使用加锁、CAS来保证原子性，但是加锁是很重量级的操作，CAS类似于乐观锁
CAS （ Compare and swap ）比较并交换，是实现并发算法时常用到的技术，包含三个操作数：内存位置、预期原值、更新值
执行CAS操作的时候，将内存位置中的值与预期原值比较
- 如果匹配，会将该位置的值更新为新值，
- 如果不匹配就不会做任何操作，或者重试，这种重试被称为自旋，多个线程同时执行CAS操作，只有一个会成功
CAS 是JDK提供的非阻塞原子操作，通过硬件保证了比较-更新的原子性
CAS 是一种系统原语，原语属于操作系统用于范畴，由若干条指令组成，用于完成某个功能，原语的执行必须是连续的，在执行过程中不允许被中断，所以说CAS是一条CPU的原子指令，不会造成数据不一致的问题
JDK提供的CAS机制，在汇编层级会禁止变量两侧的指令优化，然后使用 cmpxchg（比较并交换）指令比较并更新变量值
执行 cmpxchg 指令的时候，会判断当前系统是否为多核系统，
- 如果是就给总线加锁，只有一个线程可以对总线加锁成功，加锁成功后执行CAS操作
- 所以CAS的原子性实际上是CPU实现独占的，比起synchronized，CAS的排他时间要短很多，多线程情况下性能会更好

CAS自旋锁

CAS利用CPU的指令保证了操作的原子性，达到锁的效果
自旋锁也就是获取锁失败的线程不会立即阻塞，而是采用循环的方式去尝试获取锁，直到成功获取锁，或者超时，放在CAS就是执行一个CAS操作，不断的去执行CAS操作，直到CAS操作被成功执行
这样的好处是减少了线程上下文的切换，缺点是循环会消耗CPU

示例：不通过 synchronized 和 lock ，就实现了锁的功能

public class Caslock {
    
    //是否加锁,初始值为 false，也就是未加锁
    private AtomicBoolean atomicBoolean =new AtomicBoolean(false);
    
    public void lock(){
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+",尝试加锁");
        //原子布尔的值是否是false，是就加锁，把值改为true，不是就释放锁
        while (!atomicBoolean.compareAndSet(false,true)){
            //不是false，加锁失败，由其他线程先加了锁，这里就需要等待
            try {
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+",加锁成功");
    }
    public void unLock(){
        //解锁，把值设为 false
        atomicBoolean.compareAndSet(true,false);
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+",释放锁");
    }
}


    private static void testCasLock() throws Exception{
        Caslock caslock = new Caslock();
        new Thread(()->{
            caslock.lock();
            try {
                Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
            caslock.unLock();
        },"线程A").start();

        Thread.sleep(500);
        new Thread(()->{
            caslock.lock();
            caslock.unLock();
        },"线程B").start();
    }

-- 执行结果是：
    
线程A,尝试加锁
线程A,加锁成功
线程B,尝试加锁
线程A,释放锁
线程B,加锁成功
线程B,释放锁