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J.U.C Review - CAS的工作原理

article 2024/11/20 23:34:29

文章目录

悲观锁与乐观锁
- 悲观锁
- 乐观锁
CAS（Compare And Swap）
- CAS的工作流程
- 示例
Java中CAS的实现——Unsafe类
- `Unsafe`类中的CAS方法
通过`AtomicInteger`类的示例分析CAS操作
CAS实现中的问题及解决方案
- ABA问题
- 自旋开销
- 单变量原子操作的局限性

在这里插入图片描述

悲观锁与乐观锁

在并发编程中，锁机制用于控制多个线程对共享资源的访问，防止数据的不一致性。根据锁的处理方式，可以将锁分为两种主要类型：悲观锁和乐观锁。

悲观锁

悲观锁是一种严格的资源访问控制方式，其假设在资源的每次访问时都会发生冲突，因此它总是在访问资源前将其锁定，以确保同一时刻只有一个线程能够访问该资源。这种策略有效防止了并发修改导致的数据不一致性问题，但也可能导致性能瓶颈，尤其在资源访问频繁的情况下。

使用悲观锁时，线程在进入临界区前会尝试获取锁，如果锁已被其他线程占用，则当前线程将进入等待状态，直到获得锁为止。常见的悲观锁实现包括数据库中的行级锁和表级锁、Java中的ReentrantLock等。

适用场景：悲观锁适用于“写多读少”的场景，尤其是在高并发环境下，频繁的写操作容易引发冲突，此时使用悲观锁可以有效避免冲突，保障数据的一致性。

乐观锁

乐观锁与悲观锁相反，它假设资源的访问通常不会发生冲突，因此不需要在每次访问时都加锁。乐观锁允许多个线程同时访问资源，并在操作结束时通过一种验证机制来检查是否发生了冲突，如果检测到冲突，则放弃当前操作并重新尝试。

乐观锁常通过CAS（Compare And Swap，比较并交换）机制来实现，CAS是一种硬件支持的原子操作，保证了即使在多线程环境下，也能安全地执行检查并更新操作。

适用场景：乐观锁适用于“读多写少”的场景，这种情况下，资源访问的冲突概率较低，使用乐观锁可以减少锁带来的开销，提高系统性能。

CAS（Compare And Swap）

CAS，全称为“比较并交换”，是一种用于实现乐观锁的底层机制。在CAS操作中，涉及三个关键的值：

V：当前操作的变量。
E：预期值（Expected），即操作前希望变量V处于的值。
N：新值（New），即希望将变量V更新为的值。

CAS的核心原理是：首先检查变量V是否等于预期值E，如果相等，则将V的值更新为新值N；如果不等，则表示已经有其他线程修改了V的值，当前操作失败，系统将放弃更新。这种机制确保了并发操作的安全性，并且不需要使用传统的锁。

CAS的工作流程

读取当前变量值V：假设当前线程想要更新一个共享变量V。
比较V与E：线程将当前的V与预期值E进行比较。如果V等于E，说明没有其他线程修改该变量，操作可以继续。
执行更新操作：如果V与E相等，线程将V更新为新值N，操作成功。
处理操作失败：如果V与E不相等，说明有其他线程已经修改了V，此时操作失败，线程可以选择重试或放弃操作。

示例

假设我们有一个共享变量i的初始值为5，线程A希望将其更新为6。线程A将通过以下步骤完成操作：

读取i的当前值V=5。
比较i的值是否等于预期值E=5。
如果i的值确实为5，线程A将其更新为6；如果i的值已经被其他线程修改为其他值（例如2），线程A的操作将失败，i的值保持不变。

因为CAS是一个原子操作，所以在执行步骤2和步骤3时，操作不会被中断，从而保证了操作的线程安全性。

Java中CAS的实现——Unsafe类

Java中通过Unsafe类来实现CAS操作。Unsafe类位于sun.misc包下，提供了一系列的native方法，这些方法由JVM在底层通过C或C++实现，以保证高效的原子操作。

`Unsafe`类中的CAS方法

Unsafe类中有几个与CAS操作相关的方法：

public final native boolean compareAndSwapObject(Object o, long offset, Object expected, Object x);
public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset, int expected, int x);
public final native boolean compareAndSwapLong(Object o, long offset, long expected, long x);

这些方法接收的参数包括：

Object o：要操作的对象。
long offset：要操作的对象字段的内存偏移量。
expected：预期值。
x：新值。

这些compareAndSwap方法都是native方法，也就是说，它们的具体实现是在JVM的底层代码中，通常是通过硬件指令（如cmpxchg）来保证操作的原子性。

通过`AtomicInteger`类的示例分析CAS操作

在Java中，AtomicInteger类是java.util.concurrent.atomic包中的一个类，用于实现整型的原子操作。

在这里插入图片描述

我们通过AtomicInteger的getAndAdd(int delta)方法来深入了解CAS的实现。

public final int getAndAdd(int delta) {
    return U.getAndAddInt(this, VALUE, delta);
}

在上述代码中，U是一个Unsafe对象，VALUE是AtomicInteger类中定义的一个常量，表示该对象中目标字段的内存偏移量。

private static final jdk.internal.misc.Unsafe U = jdk.internal.misc.Unsafe.getUnsafe();
private static final long VALUE = U.objectFieldOffset(AtomicInteger.class, "value");

getAndAdd方法调用了Unsafe的getAndAddInt方法，该方法的源码如下：

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;
}

解析

获取当前值：getIntVolatile(o, offset)读取对象o中偏移量为offset的字段值，并将其赋给v。
CAS操作：weakCompareAndSetInt(o, offset, v, v + delta)尝试使用CAS将v的值更新为v + delta。如果CAS操作成功，循环结束；否则，继续尝试。
返回旧值：方法返回的是操作前的旧值v。

weakCompareAndSet的特殊性

weakCompareAndSetInt是compareAndSetInt的弱版本，它的执行更轻量级，但在一些情况下可能会失败，而不一定遵循严格的内存顺序。在JDK 9及更高版本中，weakCompareAndSetInt带有@HotSpotIntrinsicCandidate注解，这意味着它可能在JVM中被直接用汇编或IR（中间表示）代码实现，以提高性能。