【JavaEE多线程】深入理解CAS操作:无锁编程的核心

embedded/2024/9/24 7:40:23/

目录

    • CAS
      • 什么是CAS
      • CAS是怎么实现的
      • CAS有哪些应用
        • 实现原子类
        • 实现自旋锁
      • CAS的ABA问题


CAS

什么是CAS

CAS:全称Compare and swap,字面意思:”比较并交换“,能够比较和交换某个寄存器中的值内存中的值是否相等,如果相等,则把另一个寄存器中的值和内存进行交换。一个 CAS 涉及到以下操作:

我们假设内存中的原数据V,旧的预期值A,需要修改的新值B。

  1. 比较 A 与 V 是否相等。(比较)
  2. 如果比较相等,将 B 写入 V。(交换)
  3. 返回操作是否成功。

CAS伪代码

下面写的代码不是原子的, 真实的 CAS 是一个原子的硬件指令完成的. 这个伪代码只是辅助理解CAS 的工作流程.

java">boolean CAS(address, expectValue, swapValue) {if (&address == expectedValue) {&address = swapValue;return true;}return false;
}

由于CAS是通过一条指令完成的,这也就给我们实现线程安全除了加锁以外又多了一条方式——无锁编程。但CAS的使用范围是有局限性的,加锁适用性更广

CAS是怎么实现的

主要是通过CPU硬件支持,软件层面才做得到

CAS有哪些应用

实现原子类

比如,多线程针对一个count变量进行++,在Java标准库中已经提供了一组原子类

标准库中提供了 java.util.concurrent.atomic 包, 里面的类都是基于这种方式来实现的。其中的AtomicIntegerAtomicLong最常用,提供了自增/自减/自增任意值/自减任意值的操作。这些操作就是基于CAS按照无锁编程的方式来实现

java">private static AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Thread t1 = new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 50000; i++) {count.getAndIncrement();//count++/*count.incrementAndGet();//++countcount.getAndDecrement();//count--count.decrementAndGet();//--count*/}});Thread t2 = new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 50000; i++) {count.getAndIncrement();}});t1.start();t2.start();t1.join();t2.join();System.out.println(count.get());//获取count的值
}
//100000

上述的原子类,没有进行任何的加锁,就是基于CAS来实现的

伪代码实现:

java">class AtomicInteger {private int value;public int getAndIncrement() {int oldValue = value;while ( CAS(value, oldValue, oldValue+1) != true) {oldValue = value;}return oldValue;}
}

①这里最开始value=0。此时赋值oldValue=value,oldValue为0。

②在循环里的CAS含义是value和oldValue比较是否相等,相等则将value=oldValue+1,返回的是false,不进入循环,最终返回oldValue即0,value是1,这就是相当于i++的效果。

③假设此时有别的线程在①的步骤后穿插进来,则会出现完整的自增流程,此时value=1,oldValue=0,因为还没有进行第二步

④此时重新回到②中,此时value!=oldValue,则函数返回false,将进入循环,将oldValue赋值为新的value=1,则oldValue为1,重新CAS函数比较,此时value和oldValue相等,则value=oldValue+1=2,返回true,退出循环,最终返回oldValue即1,value是2,这就是相当于i++的效果

当两个线程并发的执行i++操作的时候,如果不加任何限制,意味着这两个i++可能是串行的,则计算正确,也可能是穿插进行的,就会出现问题

实现线程安全

  1. 加锁保证线程安全:通过锁,强制避免出现穿插
  2. 原子类/CAS保证线程安全:借助CAS来识别当前是否出现“穿插”的情况,如果没穿插,此时直接修改,就是安全的。如果出现穿插了,就重新获取内存中最新的值,再次尝试修改
实现自旋锁
java">public class SpinLock {private Thread owner = null;public void lock(){// 通过 CAS 看当前锁是否被某个线程持有. // 如果这个锁已经被别的线程持有, 那么就自旋等待. // 如果这个锁没有被别的线程持有, 那么就把 owner 设为当前尝试加锁的线程(Thread.currentThread()). while(!CAS(this.owner, null, Thread.currentThread())){}}public void unlock (){this.owner = null;}
}

此处owner表示当前是哪个线程持有这把锁。null解锁状态

Thread.currentThread()获取当前线程引用。哪个线程调用lock(),这里得到的结果就是哪个线程的引用

当该锁已经处于加锁状态,这里就会返回false,CAS就不会进行实际的交换操作,接下来循环条件成立,继续进入下一轮循环。但循环体为空,就又进行这个函数判断,因此一瞬间就执行很多轮次,这样就达到了自旋锁效果。一旦有另一个线程把锁释放了,这里就可以立即得到那个锁

CAS的ABA问题

CAS的关键要点是比较寄存器1和内存的值,通过这里的是否相等,来判定内存的值,是否发生了改变。

如果内存值变了,存在其他线程进行了修改;

如果内存值没变,没有别的线程修改,接下来进行的修改就是安全的。

问题是这里的值没变,就一定没有别的线程修改吗?

A-B-A:另一个线程从A->B,又从B->A,此时本线程区分不了,这个值始终没变,还是出现了变化又回来了的情况。

CAS判定的是“值相同”,实际上我们期望的是"值没有变化过"

解决方案:(约定"值"只能增长不能减小,这个值不是要修改的值,是下面引入的“版本号”)

给要修改的值, 引入版本号. 在 CAS 比较数据当前值和旧值的同时, 也要比较版本号是否符合预期.

  • CAS 操作在读取旧值的同时, 也要读取版本号.
  • 真正修改的时候,
    • 如果当前版本号和读到的版本号相同, 则修改数据, 并把版本号 + 1.
    • 如果当前版本号高于读到的版本号. 就操作失败(认为数据已经被修改过了).

CAS 也是属于多线程开发中的一种典型的思路

但是咱们在这里并没有介绍 Java 中提供的 CAS 的api 怎么用,也没介绍系统中提供的 CAS api 咋用

实际开发中,一般不会直接使用 CAS,都是用库里已经基于 CAS 装好的组件(像原子类这种)

后面如果大家被问到了原子类咋实现的,自旋锁咋实现的,就可以用CAS解答了


http://www.ppmy.cn/embedded/8866.html

相关文章

【LeetCode热题100】【矩阵】搜索二维矩阵 II

题目链接&#xff1a;240. 搜索二维矩阵 II - 力扣&#xff08;LeetCode&#xff09; 从右上角开始搜索&#xff0c;如果当前元素比目标小&#xff0c;那么说明目标只能存在下面矩阵&#xff0c;搜索范围往下压扁&#xff0c;如果当前元素比目标大&#xff0c;说明目标只能存在…

ROS1快速入门学习笔记 - 02ROS相关介绍

一、什么是ROS&#xff1f; ROS 通信机制 开发工具 应用功能 生态系统 目的&#xff1a;提高机器人在研发中的软件复用率 1. 通信机制 2. 开发工具 3. 应用功能 4. 生态系统 二、ROS的核心概念 1. 节点&#xff08;Node&#xff09;-- 执行单元 执行具体任务的进程、独立…

GPT-3:NLP领域的革新者

在自然语言处理&#xff08;NLP&#xff09;领域&#xff0c;预训练模型一直是研究的热点。随着技术的不断进步&#xff0c;我们见证了从BERT到GPT等一系列模型的涌现。其中&#xff0c;GPT-3&#xff08;Generative Pre-trained Transformer 3&#xff09;以其卓越的生成能力和…

WEB_py_logging日志库

目录 一、日志级别 二、基本编程方式 日志输出配置以及参数 三、logging的模块 四、logger记录器与处理器 logger记录器使用函数 logger处理器使用函数 示例&#xff1a;一个记录器分别向不同的处理器输出 五、过滤器 自定义过滤器&#xff08;过滤关键字&#xff09;…

Java面试题笔记(持续更新)

目录 目录 Java基础 java中的Math.round(-1.5)等于多少&#xff1f; JDK和JRE的区别&#xff1f; 抽象类能被final修饰吗&#xff1f; 如何决定使用TreeMap还是HashMap? 迭代器Iterator是什么&#xff1f; Queue中的poll和remove有什么区别&#xff1f; 为什么要使用…

(51单片机)第十一章-串行口应用提高

11.1 方式0应用 在第6章中&#xff0c;已经对51单片机的串行口结构做过详细介绍&#xff0c;并且通过实例讲解了串行口的4种工作方式中方式1的具体用法&#xff0c;本节详细讲述串行口方式0的用法。 串行口方式0被称为同步移位寄存器的输入/输出方式&#xff0c;主要用于扩展并…

华为校招机试 - 扑克牌消除(20240417)

题目描述 从一副扑克牌中随机抽取 n 张牌组成一个序列,规定连续 3 张相同牌号的卡牌可以消除,剩余卡牌按照当前顺序重新合并成新的序列后继续消除,重复以上步骤直到无法消除,最后请输出结束后剩余的卡牌序列。 注:存在连续 4 张相同牌号的情况,消除后剩余一张。 输入描…

CSS画一条虚线,并且灵活设置虚线的宽度和虚线之间的间隔和虚线的颜色

CSS画一条虚线,并且灵活设置虚线的宽度和虚线之间的间隔和虚线的颜色。 先看效果图&#xff1a; 在CSS中&#xff0c;你可以使用border属性或者background属性来画一条虚线。以下是两种常见的方法&#xff1a; 方法一&#xff1a;使用border属性 你可以设置一个元素的border…