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CAS机制与自旋锁

2019年04月24日  | 移动技术网IT编程  | 我要评论

cas（compare-and-swap），即比较并替换，java并发包中许多atomic的类的底层原理都是cas。

它的功能是判断内存中某个地址的值是否为预期值，如果是就改变成新值，整个过程具有原子性。

具体体现于sun.misc.unsafe类中的native方法，调用这些native方法，jvm会帮我们实现汇编指令，这些指令是cpu的原子指令，因此具有原子性。

 1 public class casdemo {
 2 
 3     public static void main(string[] args) {
 4 
 5         //初始值5
 6         atomicinteger atomicinteger = new atomicinteger(5);
 7 
 8         //和5比较,设置为10
 9         system.out.println("预期值:5,当前值:"+atomicinteger);
10         system.out.println("是否设置成功:"+atomicinteger.compareandset(5, 10));
11         //和5比较,设置为15
12         system.out.println("预期值:5,当前值:"+atomicinteger);
13         system.out.println("是否设置成功:"+atomicinteger.compareandset(5, 15));
14 
15         system.out.println("当前值:"+atomicinteger);
16     }
17 }

输出为：

预期值:5,当前值:5
是否设置成功:true
预期值:5,当前值:10
是否设置成功:false
当前值:10

下面看一下getandaddint在底层unsafe类中的代码（自旋锁），运用到了cas

//va1为对象，var2为地址值，var4是要增加的值，var5为当前地址中最新的值
public final int getandaddint(object var1, long var2, int var4) {
        int var5;
        do {
            var5 = this.getintvolatile(var1, var2);
        } while(!this.compareandswapint(var1, var2, var5, var5 + var4));

        return var5;
    }

首先通过volatile的可见性，取出当前地址中的值，作为期望值。如果期望值与实际值不符，就一直循环获取期望值，直到set成功。

适用场景：

　　1. cas 适合简单对象的操作，比如布尔值、整型值等；

　　2. cas 适合冲突较少的情况，如果太多线程在同时自旋，那么长时间循环会导致 cpu 开销很大；

cas的缺点：

　　1. cpu开销过大 ： 在并发量比较高的情况下，如果许多线程反复尝试更新某一个变量，却又一直更新不成功，循环往复，会给cpu带来很到的压力。

　　2. 不能保证代码块的原子性：cas机制所保证的知识一个变量的原子性操作，而不能保证整个代码块的原子性。比如需要保证3个变量共同进行原子性的更新，就不得不使用synchronized了。

　　3.  aba问题：如果内存地址v初次读取的值是a，在cas等待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。

aba问题以及解决：使用带版本号的原子引用atomicstampedrefence<v>，或者叫时间戳的原子引用，类似于乐观锁。

 0 // aba问题及解决方式
 1　public class abademo {
 2 
 3     private static atomicreference<string> atomicreference = new atomicreference<>("a");
 4     private static atomicstampedreference<string> stampreference = new atomicstampedreference<>("a",1);
 5 
 6     public static void main(string[] args){
 7         new thread(()->{
 8             //获取到版本号
 9             int stamp = stampreference.getstamp();
10             system.out.println("t1获取到的版本号："+stamp);
11             try {
12                 //暂停1秒,确保t1,t2版本号相同
13                 timeunit.seconds.sleep(1);
14             } catch (interruptedexception e) {
15                 e.printstacktrace();
16             }
17             atomicreference.compareandset("a","b");
18             atomicreference.compareandset("b","a");
19 
20             stampreference.compareandset("a","b",stamp,stamp+1);
21             stampreference.compareandset("b","a",stamp+1,stamp+2);
22             system.out.println("t1线程aba之后的版本号："+stampreference.getstamp());
23 
24         },"t1").start();
25 
26         new thread(()->{
27             //获取到版本号
28             int stamp = stampreference.getstamp();
29             system.out.println("t2获取到的版本号："+stamp);
30             try {
31                 //暂停2秒,等待t1执行完成aba
32                 timeunit.seconds.sleep(2);
33             } catch (interruptedexception e) {
34                 e.printstacktrace();
35             }
36             system.out.print("普通原子类无法解决aba问题： ");
37             system.out.println(atomicreference.compareandset("a","c")+"\t"+atomicreference.get());
38             system.out.print("版本号的原子类解决aba问题： ");
39             system.out.println(stampreference.compareandset("a","c",stamp,stamp+1)+"\t"+stampreference.getreference());
40 
41         },"t2").start();
42     }
43 }

输出结果：普通原子引用类在另一个线程完成aba之后继续修改（把a改成了c），带版本号原子引用有效的解决了这个问题。

t1获取到的版本号：1
t2获取到的版本号：1
t1线程aba之后的版本号：3
普通原子类无法解决aba问题： true    c
版本号的原子类解决aba问题： false    a

 

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