(java併發)CAS操做原理以及Atomic的原理

時間 2019-11-10

標籤 java 併發 cas 原理以及 atomic 欄目 Java 简体版

原文原文鏈接

CAS操做能夠分爲如下三個步驟：java

步驟 1.讀舊值(即從系統內存中讀取所要使用的變量的值，例如：讀取變量i的值)算法

步驟2.求新值（即對從內存中讀取的值進行操做，可是操做後不修改內存中變量的值，例如：i=i+1,這一步只進行 i+1,沒有賦值，不對內存中的i進行修改）多線程

步驟3.兩個不可分割的原子操做併發

第一步：比較內存中變量如今的值與最開始讀的舊值是否相同(即從內存中從新讀取i的值，與一開始讀取的 i進行比較)框架

第二步：若是這兩個值相同的話，則將求得的新值寫入內存中（即：i=i+1,更改內存中的i的值）測試

若是這兩個值不相同的話，則重複步驟1開始this

注：這兩個操做是不可分割的原子操做，必須兩個同時完成atom

CAS操做

CAS是單詞compare and set的縮寫，意思是指在set以前先比較該值有沒有變化，只有在沒變的狀況下才對其賦值。spa

咱們經常作這樣的操做.net

if(a==b) {  
    a++;  
}

試想一下若是在作a++以前a的值被改變了怎麼辦？a++還執行嗎？出現該問題的緣由是在多線程環境下，a的值處於一種不定的狀態。採用鎖能夠解決此類問題，但CAS也能夠解決，並且能夠不加鎖。

int expect = a;  
if(a.compareAndSet(expect,a+1)) {  
    doSomeThing1();  
} else {  
    doSomeThing2();  
}

這樣若是a的值被改變了a++就不會被執行。

按照上面的寫法，a!=expect以後,a++就不會被執行，若是咱們仍是想執行a++操做怎麼辦，不要緊，能夠採用while循環

while(true) {  
    int expect = a;  
    if (a.compareAndSet(expect, a + 1)) {  
        doSomeThing1();  
        return;  
    } else {  
        doSomeThing2();  
    }  
}

採用上面的寫法，在沒有鎖的狀況下實現了a++操做，這其實是一種非阻塞算法。

應用

Java.util.concurrent.atomic包中幾乎大部分類都採用了CAS操做，以AtomicInteger爲例，看看它幾個主要方法的實現：

public final int getAndSet(int newValue) {  
    for (;;) {  
        int current = get();  
        if (compareAndSet(current, newValue))  
            return current;  
    }  
}

getAndSet方法JDK文檔中的解釋是：以原子方式設置爲給定值，並返回舊值。原子方式體如今何處，就體如今compareAndSet上，看看compareAndSet是如何實現的：

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

不出所料，它就是採用的Unsafe類的CAS操做完成的。

再來看看a++操做是如何實現的：

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

幾乎和最開始的實例如出一轍，也是採用CAS操做來實現自增操做的。

++a操做和a++操做相似，只不過返回結果不一樣罷了

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

此外，java.util.concurrent.ConcurrentLinkedQueue類全是採用的非阻塞算法，裏面沒有使用任何鎖，全是基於CAS操做實現的。CAS操做能夠說是JAVA併發框架的基礎，整個框架的設計都是基於CAS操做的。

缺點：

一、ABA問題

CAS操做容易致使ABA問題,也就是在作a++之間，a可能被多個線程修改過了，只不過回到了最初的值，這時CAS會認爲a的值沒有變。a在外面逛了一圈回來，你能保證它沒有作任何壞事，不能！！也許它討閒，把b的值減了一下，把c的值加了一下等等，更有甚者若是a是一個對象，這個對象有多是新建立出來的，a是一個引用呢狀況又如何，因此這裏面仍是存在着不少問題的，解決ABA問題的方法有不少，能夠考慮增長一個修改計數，只有修改計數不變的且a值不變的狀況下才作a++，也能夠考慮引入版本號，當版本號相同時才作a++操做等，這和事務原子性處理有點相似！

二、比較花費CPU資源，即便沒有任何爭用也會作一些無用功。

三、會增長程序測試的複雜度，稍不注意就會出現問題。