JavaEE:多线程进阶(CAS)

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CAS

什么是 CAS

CAS: 全称Compare and swap，字面意思:”比较并交换“，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.

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

两种典型的不是"原子性"的代码:

1. check and set (if 判定然后设定值)[上面的CAS就是这种形式]
2. read and update (i++)

当多个线程同时对某个资源进行CAS操作,只能有一个线程操作成功,但是并不会阻塞其他线程,其他线程只会收到操作失败的信号.

CAS是乐观锁的一种实现方式

CAS有哪些应用

1. 实现原子类
   标准库中提供了java.util.concurrent.atomic包,里面的类都是这种方式来实现的.
   

   private static AtomicInteger sum = new AtomicInteger();
   
   public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
   
       Thread t1 = new Thread(()->{
           for (int i = 0; i < 50000; i++) {
               sum.getAndIncrement(); // sum++
               sum.incrementAndGet(); // ++sum
               sum.getAndDecrement(); //sum--
               sum.decrementAndGet(); // --sum
               sum.getAndAdd(10); // sum += 10
           }
       });
       Thread t2 = new Thread(()->{
           for (int i = 0; i < 50000; i++) {
               sum.getAndIncrement();
           }
       });
       t1.start();
       t2.start();
       t1.join();
       t2.join();
       // 通过 sum.get() 来拿到原子类内部持有的真是数据.
       System.out.println(sum.get());
   }
   

   典型的就是AtomicInteger类,其中的getAndIncrement相当于i++操作

   AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);
   // 相当于 i++
   atomicInteger.getAndIncrement();
   

   伪代码实现:

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

   假设两个线程同时调用getAndIncrement
   1. 两个线程都读取value的值到oldValue中.(oldValue是一个局部变量,在栈上,每个线程有自己的栈)
   
   2. 线程1先执行CAS操作.由于oldValue和value的值相同,直接进行对value赋值.

   CAS是直接读写内存的,而不是操作寄存器.
   CAS的读内存,比较,写内存操作是一条硬件指令,是原子的.

   
   3. 线程2再执行CAS操作,第一次CAS的时候发现oldValue和value不相等,不能进行赋值,因此需要进入循环.
   在循环里重新获取value的值赋给oldValue
   
   4. 线程2接下来第二次执行CAS,此时oldValue和value相同,于是直接执行赋值操作.
   
   5. 线程1和线程2返回各自的oldValue的值即可.
   通过形如上述代码就可以实现一个原子类.不需要使用重量级锁,就可以高效的完成多线程的自增操作.

   本来check and set 这样的操作在代码角度不是原子的,但是在硬件层面上可以让一条指令完成这个操作,也就变成原子的了

2. 实现自旋锁
   基于CAS实现更灵活的锁,获取到更多的控制权.
   自旋锁伪代码

   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. 
   		while(!CAS(this.owner, null, 	Thread.currentThread())){
   		}
   	}
   	public void unlock (){
    		this.owner = null;
    	}
   }
   

CAS的ABA问题

什么是ABA问题

ABA问题:
假设存在两个线程t1和t2,有一个共享变量num,初始值为A.
接下来,线程t1想使用CAS把num的值改成Z,那么就需要

1. 先读取num的值,记录到oldNum变量中
2. 使用CAS判定当前num的值是否为A,如果为A,就修改成Z.
   但是,在t1执行这两个操作之间,t2线程可能把num的值从A改成了B,又从B改成了A.

线程t1的CAS是期望num不变就修改.但是num的值已经被t2给修改了,只不过又改成A了,这个时候t1究竟是否要更新num的值为Z呢?

到这一步,t1线程无法区分当前这个变量始终是A,还是经历了一个变化过程.

ABA问题带来的BUG

大部分的情况下,t2线程这样的一个反复横跳改动,对于t1是否修改num是没有影响的,但是不排除一些特殊情况.

假设我有100存款,我想从ATM取50.取款机创建了两个线程,并发的来执行-50操作.
我们期望一个线程执行-50成功,另一个线程-50失败.
如果使用CAS的方式来完成这个扣款的过程就可能会出现问题.

正常的过程

1. 存款100.线程1获取到当前存款值为100,期望更新为50;线程2获取到当前存款值为100,期望更新为50.
2. 线程1执行扣款成功,存款被改成50,线程2阻塞等待中.
3. 轮到线程2执行了,发现当前存款为50,和之前读到的100不相同,执行失败.

异常的过程

1. 存款100.线程1获取到当前存款值为100,期望更新为50;线程2获取到当前存款值为100,期望更新为50.
2. 线程1执行扣款成功,存款被改成50,线程2阻塞等待中.
3. 在线程2执行之前,我的朋友正好给我转了50,于是我的账户余额就变成了100!
4. 轮到线程2执行了,发现当前存款为100,和之前读到的100相同,再次执行扣款操作

这个时候,扣款操作被执行了两次!都怪ABA!!!

解决方案

通过CAS也不是不能解决上述问题.

ABA是因为"余额"能加也能减,才会有ABA问题,如果只能加,不能减就可以解决上述问题.

哎呀,你这不是废话吗,余额怎么可能只加不减?!

别急,余额确实不可能,但是我们可以新建一个变量,让它只增不减.给它起个名字,就叫"版本号"好了.

具体操作如下:
我们可以给要修改的值,引入版本号,在CAS比较数据和当前值和旧值的同时,也要比较版本号是否符合预期.

1. 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.
2. 如果当前版本号高于读到的版本号,那就操作失败(认为数据已经被修改过了)

在Java标准库中提供了AtomicStampedReference<E>类,这个类可以对某个类进行包装,在内部就提供了上面描述的版本管理功能.

本文到这里就结束啦~

文章来源:https://blog.csdn.net/qrwitu142857/article/details/141791667
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