Java并发编程系列-(3) 原子操作与CAS

Java并发编程系列-(3) 原子操作与CAS

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Java并发编程系列-(3) 原子操作与CAS

Java并发编程:

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3. 原子操作与CAS

3.1 原子操作

所谓原子操作是指不会被线程调度机制打断的操作;这种操作一旦开始,就一直运行到结束,中间不会有任何context switch,也就是切换到另一个线程。

为了实现原子操作,Java中可以通过synchronized关键字将函数或者代码块包围,以实现操作的原子性。但是synchronized关键字有一些很显著的问题:

1、synchronized是基于阻塞锁的机制,如果被阻塞的线程优先级很高,可能很长时间其他线程都没有机会运行;

2、拿到锁的线程一直不释放锁,可能导致其他线程一直等待;

3、线程数量很多时,可能带来大量的竞争,消耗cpu,同时带来死锁或者其他安全。

像synchronized这种独占锁属于悲观锁,它是在假设一定会发生冲突的,那么加锁恰好有用,除此之外,还有乐观锁,乐观锁的含义就是假设没有发生冲突,那么我正好可以进行某项操作,如果要是发生冲突呢,那我就重试直到成功,乐观锁最常见的就是CAS。

JAVA内部在实现原子操作的类时都应用到了CAS。

3.2 CAS

CAS是CompareAndSwap的缩写,即比较并替换。CAS需要有3个操作数:内存地址V,旧的预期值A,即将要更新的目标值B。

CAS指令执行时,当且仅当内存地址V的值与预期值A相等时,将内存地址V的值修改为B,否则就什么都不做。整个比较并替换的操作是一个原子操作,大多数现代处理器都支持CAS指令。

JDK中关于原子操作的类有,

  • 更新基本类型类:AtomicBoolean,AtomicInteger,AtomicLong,AtomicReference

  • 更新数组类:AtomicIntegerArray,AtomicLongArray,AtomicReferenceArray

  • 更新引用类型:AtomicReference,AtomicMarkableReference,AtomicStampedReference

  • 原子更新字段类: AtomicReferenceFieldUpdater,AtomicIntegerFieldUpdater,AtomicLongFieldUpdater

下面例子为AtomicInteger的基本用法,

public class UseAtomicInt {

	static AtomicInteger ai = new AtomicInteger(10);

    public static void main(String[] args) {
System.out.println(ai.getAndIncrement());//10--->11
System.out.println(ai.incrementAndGet());//11--->12--->out
System.out.println(ai.get());
}
}

深入getAndIncrement的实现可以发现,内部调用了CAS进行value的更新,

   /**
* Atomically adds the given value to the current value of a field
* or array element within the given object {@code o}
* at the given {@code offset}.
*
* @param o object/array to update the field/element in
* @param offset field/element offset
* @param delta the value to add
* @return the previous value
* @since 1.8
*/
@HotSpotIntrinsicCandidate
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;
}

CAS在底层通过JNI调用系统的Atomic::cmpxchg方法,来进行value的比较与更新。

对于CAS的实现,这依赖于CPU提供的特定指令,具体根据体系结构的不同还存在着明显区别。比如,x86 CPU 提供 cmpxchg 指令;而在精简指令集的体系架构中,则通常是靠一对儿指令(如“load and reserve”和“store conditional”)实现的,在大多数处理器上 CAS 都是个非常轻量级的操作,这也是其优势所在。

3.3 CAS的问题

CAS虽然很高效的解决了原子操作问题,但是CAS仍然存在三大问题。

  • ABA问题

什么是ABA问题?ABA问题怎么解决?如果内存地址V初次读取的值是A,并且在准备赋值的时候检查到它的值仍然为A,那我们就能说它的值没有被其他线程改变过了吗?如果在这段期间它的值曾经被改成了B,后来又被改回为A,那CAS操作就会误认为它从来没有被改变过。这个漏洞称为CAS操作的“ABA”问题。

Java并发包为了解决这个问题,提供了一个带有标记的原子引用类“AtomicStampedReference”,它可以通过控制变量值的版本来保证CAS的正确性。因此,在使用CAS前要考虑清楚“ABA”问题是否会影响程序并发的正确性,如果需要解决ABA问题,改用传统的互斥同步可能会比原子类更高效。

  • 开销问题

循环时间长开销很大:我们可以看到getAndAddInt方法执行时,如果CAS失败,会一直进行尝试。如果CAS长时间一直不成功,可能会给CPU带来很大的开销。

  • 只能保证一个共享变量的原子操作

只能保证一个共享变量的原子操作:当对一个共享变量执行操作时,我们可以使用循环CAS的方式来保证原子操作,但是对多个共享变量操作时,循环CAS就无法保证操作的原子性,这个时候就可以用锁来保证原子性。


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