詳解java 中的CAS與ABA
更新時間：2021年05月10日 09:56:11 作者：開發(fā)架構二三事
這篇文章主要介紹了java 中的CAS與ABA的相關資料，幫助大家更好的理解和學習使用Java，感興趣的朋友可以了解下
1. 獨占鎖：
屬于悲觀鎖，有共享資源，需要加鎖時，會以獨占鎖的方式導致其它需要獲取鎖才能執(zhí)行的線程掛起，等待持有鎖的錢程釋放鎖。傳統(tǒng)的關系型數(shù)據(jù)庫里邊就用到了很多這種鎖機制，比如行鎖，表鎖等，讀鎖，寫鎖等，都是在做操作之前先上鎖。Java中synchronized和ReentrantLock等獨占鎖就是悲觀鎖的思想。
1.1 樂觀鎖的操作
多線程并發(fā)修改一個值時的實現(xiàn)：
public class SimulatedCAS {
//加volatile的目的是利用其happens-before原則，保證線程可見性
private volatile int value;
public synchronized int getValue() { return value; }
public synchronized int compareAndSwap(int expectedValue, int newValue) {
int oldValue = value;
if (value == expectedValue)
value = newValue;
return oldValue;
}
}
2. 樂觀鎖：
總是假設最好的情況，每次去拿數(shù)據(jù)的時候都認為別人不會修改，所以不會上鎖，但是在更新的時候會判斷一下在此期間別人有沒有去更新這個數(shù)據(jù)，可以使用版本號機制和CAS算法實現(xiàn)。樂觀鎖適用于多讀的應用類型，這樣可以提高吞吐量，像數(shù)據(jù)庫提供的類似于write_condition機制，其實都是提供的樂觀鎖。 在Java中java.util.concurrent.atomic包下面的原子變量類就是使用了樂觀鎖的一種實現(xiàn)方式CAS實現(xiàn)的。樂觀鎖一般會使用版本號機制或CAS算法實現(xiàn)。
2.1 CAS操作
- CAS 操作包含三個操作數(shù) —— 內(nèi)存位置（V）、預期原值（A）和新值(B)。如果內(nèi)存位置的值與預期原值相匹配，那么處理器會自動將該位置值更新為新值。否則，處理器不做任何操作。無論哪種情況，它都會在 CAS 指令之前返回該位置的值。（在 CAS 的一些特殊情況下將僅返回 CAS 是否成功，而不提取當前值。）CAS 有效地說明了“我認為位置 V 應該包含值 A；如果包含該值，則將 B 放到這個位置；否則，不要更改該位置，只告訴我這個位置現(xiàn)在的值即可。”
- 通常將 CAS 用于同步的方式是從地址 V 讀取值 A，執(zhí)行多步計算來獲得新值 B，然后使用 CAS 將 V 的值從 A 改為 B。如果 V 處的值尚未同時更改，則 CAS 操作成功。
- 類似于 CAS 的指令允許算法執(zhí)行讀-修改-寫操作，而無需害怕其他線程同時修改變量，因為如果其他線程修改變量，那么 CAS 會檢測它（并失敗），算法可以對該操作重新計算。 CAS實現(xiàn)計數(shù)器的操作：
public class CasCounter {
private SimulatedCAS value;
public int getValue() {
return value.getValue();
}
public int increment() {
int oldValue = value.getValue();
while (value.compareAndSwap(oldValue, oldValue + 1) != oldValue)
oldValue = value.getValue();
return oldValue + 1;
}
}
3. 原子變量類
JDK5.0之后加入了java.util.concurrent.atomic 包，其中的AtomicInteger； AtomicLong； AtomicReference； AtomicBoolean 等都是在CAS基礎上實現(xiàn)的。
4. CAS的缺陷
- 循環(huán)時間太長，如果自旋長時間不成功，會給cpu帶來極大的開銷，有興趣的可以使用JMH測試下AtomicLong 和 LongAdder的性能。
- ABA問題： CAS需要檢查待操作值有沒有發(fā)生改變，如果沒有發(fā)生改變則更新。 但是存在這樣一種情況：如果一個值原來是A，變成了B，然后又變成了A，那么在CAS檢查的時候會發(fā)現(xiàn)沒有改變，但是實質上它已經(jīng)發(fā)生了改變，這就是所謂的ABA問題。 在運用CAS做Lock-Free操作中有一個經(jīng)典的ABA問題：比如線程1從內(nèi)存位置V中取出A，這時另一個線程2也從內(nèi)存中取出A，并且線程2進行了操作之后變成了B，然線程2又將V位置數(shù)據(jù)變成了A，這時候線程1進行CAS操作發(fā)現(xiàn)內(nèi)存中仍然是A，然后線程1 操作成功?？瓷先ナ浅晒α?，實際上有隱藏的問題： 現(xiàn)有一個用單向鏈表實現(xiàn)的FIFO堆棧，棧頂為A，這時線程1已經(jīng)知道A.next為B，然后希望用CAS將棧頂替換為B，在線程1執(zhí)行上面這條指令之前，線程2 介入，將A、B出棧，再push D、C、A,此時A位于棧頂，B已經(jīng)不在棧中；此時線程1執(zhí)行CAS，發(fā)現(xiàn)棧頂仍為A，所以CAS成功，即將棧頂變成B，但實際上此時B與 當前棧中元素D、C沒有關系，B.next為null，這樣一來就直接把C、D丟掉了。 對于ABA問題其解決方案是加上版本號，即在每個變量都加上一個版本號，每次改變時加1，即A —> B —> A，變成A(1) —> B(2) —> A(3)。 java中AtomicStampedReference也實現(xiàn)了這個作用，它通過包裝[E,Integer]的元組來對對象標記版本戳stamp，從而避免ABA問題。
public class AtomicTest {
private static AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(100);
private static AtomicStampedReference<Integer> atomicStampedReference =
new AtomicStampedReference<Integer>(99, 0);
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread thread1 = new Thread(() -> {
atomicInteger.compareAndSet(99, 100);
atomicInteger.compareAndSet(100, 99);
});
Thread thread2 = new Thread(() -> {
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
}catch (InterruptedException e){
e.printStackTrace();
}
boolean b = atomicInteger.compareAndSet(99, 100);
System.out.println(b);
});
thread1.start();
thread2.start();
thread1.join();
thread2.join();
Thread refT1 = new Thread(() -> {
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
atomicStampedReference.compareAndSet(99, 100,
atomicStampedReference.getStamp(), atomicStampedReference.getStamp() + 1);
atomicStampedReference.compareAndSet(100, 99,
atomicStampedReference.getStamp(), atomicStampedReference.getStamp() + 1);
});
Thread refT2 = new Thread(() -> {
int stamp = atomicStampedReference.getStamp();
System.out.println("before sleep : stamp = " + stamp); // stamp = 0
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("after sleep : stamp = " + atomicStampedReference.getStamp());//stamp = 1
boolean c3 = atomicStampedReference.compareAndSet(99, 100, stamp, stamp+1);
System.out.println(c3); //false
});
refT1.start();
refT2.start();
}
}
結果如下：
true before sleep : stamp = 0 after sleep : stamp = 2 false
也就是說AtomicInteger更新成功，而AtomicStampedReference更新失敗。
以上就是詳解java 中的CAS與ABA的詳細內(nèi)容，更多關于java 中的CAS與ABA的資料請關注腳本之家其它相關文章！
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