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java AtomicInteger 源码之CAS

2019-11-14 09:56:39
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供稿:网友

乐观锁与悲观锁

当一个线程被挂起时,加入到阻塞队列,在一定的时间或条件下,在通过notify(),notifyAll()唤醒回来。在某个资源不可用的时候,就将cpu让出,把当前等待线程切换为阻塞状态。等到资源(比如一个共享数据)可用了,那么就将线程唤醒,让他进入runnable状态等待cpu调度。这就是典型的悲观锁的实现。独占锁是一种悲观锁,synchronized就是一种独占锁,它假设最坏的情况,并且只有在确保其它线程不会造成干扰的情况下执行,会导致其它所有需要锁的线程挂起,等待持有锁的线程释放锁。

  但是,由于在进程挂起和恢复执行过程中存在着很大的开销。当一个线程正在等待锁时,它不能做任何事,所以悲观锁有很大的缺点。举个例子,如果一个线程需要某个资源,但是这个资源的占用时间很短,当线程第一次抢占这个资源时,可能这个资源被占用,如果此时挂起这个线程,可能立刻就发现资源可用,然后又需要花费很长的时间重新抢占锁,时间代价就会非常的高。

   所以就有了乐观锁的概念,他的核心思路就是,每次不加锁而是假设没有冲突而去完成某项操作,如果因为冲突失败就重试,直到成功为止。在上面的例子中,某个线程可以不让出cpu,而是一直while循环,如果失败就重试,直到成功为止。所以,当数据争用不严重时,乐观锁效果更好。比如我们要说的AtomicInteger底层同步CAS就是一种乐观锁思想的应用。

CAS

  CAS就是Compare and Swap的意思,比较并操作。很多的cpu直接支持CAS指令。CAS是项乐观锁技术,当多个线程尝试使用CAS同时更新同一个变量时,只有其中一个线程能更新变量的值,而其它线程都失败,失败的线程并不会被挂起,而是被告知这次竞争中失败,并可以再次尝试。CAS有3个操作数,内存值V,预期值A,要修改的新值B。当且仅当预期值A和内存值V相同时,将内存值V修改为B,否则什么都不做。

AtomicInteger

public int a = 1;public boolean compareAndSwapInt(int b) { if (a == 1) { a = b; return true; } return false;}

线程A执行到 a==1,正准备执行a = b时,线程B也正在运行a = b,并在线程A之前把a修改为2;最后线程A又把a修改成了3。结果就是两个线程同时修改了变量a,显然这种结果是无法符合预期的,无法确定a的值。 解决方法也很简单,在compareAndSwapInt方法加锁同步,变成一个原子操作,同一时刻只有一个线程才能修改变量a。

CAS中的比较和替换是一组原子操作,不会被外部打断,先根据paramLong/paramLong1获取到内存当中当前的内存值V,在将内存值V和原值A作比较,要是相等就修改为要修改的值B,属于硬件级别的操作,效率比加锁操作高。

java.util.concurrent.atomic包下的原子操作类都是基于CAS实现的,接下去我们通过AtomicInteger来看看是如何通过CAS实现原子操作的:

//jdk1.8实现public final int getAndAdd(int delta) { return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta);}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;}

在jdk1.8中,比较和替换操作放在unsafe类中实现。

假设现在线程A和线程B同时执行getAndAdd操作:

AtomicInteger里面的value原始值为3,即主内存中AtomicInteger的value为3,根据Java内存模型,线程A和线程B各自持有一份value的副本,值为3。线程A通过getIntVolatile(var1, var2)方法获取到value值3,线程切换,线程A挂起。线程B通过getIntVolatile(var1, var2)方法获取到value值3,并利用compareAndSwapInt方法比较内存值也为3,比较成功,修改内存值为2线程切换,线程B挂起。线程A恢复,利用compareAndSwapInt方法比较,发手里的值3和内存值4不一致,此时value正在被另外一个线程修改,线程A不能修改value值。线程的compareAndSwapInt实现,循环判断,重新获取value值,因为value是volatile变量,所以线程对它的修改,线程A总是能够看到。线程A继续利用compareAndSwapInt进行比较并替换,直到compareAndSwapInt修改成功返回true。

整个过程中,利用CAS保证了对于value的修改的线程安全性。value 在AtomicInteger类中是volatile修饰,保证了多线程下的可见性。 Unsafe是CAS的核心类,Java无法直接访问底层操作系统,而是通过本地(native)方法来访问。不过尽管如此,JVM还是开了一个后门,JDK中有一个类Unsafe,它提供了硬件级别的原子操作 Unsafe类中的compareAndSwapInt方法 。是一个本地方法调用C++代码


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