深刻淺出 Java Concurrency (5): 原子操做 part 4 CAS操做

 

在JDK 5以前Java語言是靠synchronized關鍵字保證同步的，這會致使有鎖（後面的章節還會談到鎖）。

鎖機制存在如下問題：

（1）在多線程競爭下，加鎖、釋放鎖會致使比較多的上下文切換和調度延時，引發性能問題。

（2）一個線程持有鎖會致使其它全部須要此鎖的線程掛起。

（3）若是一個優先級高的線程等待一個優先級低的線程釋放鎖會致使優先級倒置，引發性能風險。

 

volatile是不錯的機制，可是volatile不能保證原子性。所以對於同步最終仍是要回到鎖機制上來。

獨佔鎖是一種悲觀鎖，synchronized就是一種獨佔鎖，會致使其它全部須要鎖的線程掛起，等待持有鎖的線程釋放鎖。而另外一個更加有效的鎖就是樂觀鎖。所謂樂觀鎖就是，每次不加鎖而是假設沒有衝突而去完成某項操做，若是由於衝突失敗就重試，直到成功爲止。

CAS 操做

上面的樂觀鎖用到的機制就是CAS，Compare and Swap。

CAS有3個操做數，內存值V，舊的預期值A，要修改的新值B。當且僅當預期值A和內存值V相同時，將內存值V修改成B，不然什麼都不作。

非阻塞算法 （nonblocking algorithms）

一個線程的失敗或者掛起不該該影響其餘線程的失敗或掛起的算法。

現代的CPU提供了特殊的指令，能夠自動更新共享數據，並且可以檢測到其餘線程的干擾，而 compareAndSet() 就用這些代替了鎖定。

拿出AtomicInteger來研究在沒有鎖的狀況下是如何作到數據正確性的。

private volatile int value;

首先毫無覺得，在沒有鎖的機制下可能須要藉助volatile原語，保證線程間的數據是可見的（共享的）。

這樣才獲取變量的值的時候才能直接讀取。

public final int get() {
        return value;
    }

而後來看看++i是怎麼作到的。

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

在這裏採用了CAS操做，每次從內存中讀取數據而後將此數據和+1後的結果進行CAS操做，若是成功就返回結果，不然重試直到成功爲止。

而compareAndSet利用JNI來完成CPU指令的操做。

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

總體的過程就是這樣子的，利用CPU的CAS指令，同時藉助JNI來完成Java的非阻塞算法。其它原子操做都是利用相似的特性完成的。

而整個J.U.C都是創建在CAS之上的，所以對於synchronized阻塞算法，J.U.C在性能上有了很大的提高。參考資料的文章中介紹了若是利用CAS構建非阻塞計數器、隊列等數據結構。

CAS看起來很爽，可是會致使「ABA問題」。

CAS算法實現一個重要前提須要取出內存中某時刻的數據，而在下時刻比較並替換，那麼在這個時間差類會致使數據的變化。

好比說一個線程one從內存位置V中取出A，這時候另外一個線程two也從內存中取出A，而且two進行了一些操做變成了B，而後two又將V位置的數據變成A，這時候線程one進行CAS操做發現內存中仍然是A，而後one操做成功。儘管線程one的CAS操做成功，可是不表明這個過程就是沒有問題的。若是鏈表的頭在變化了兩次後恢復了原值，可是不表明鏈表就沒有變化。所以前面提到的原子操做AtomicStampedReference/AtomicMarkableReference就頗有用了。這容許一對變化的元素進行原子操做。

 

 

參考資料：

（1）非阻塞算法簡介

（2）流行的原子