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JAVA中CAS原理分析

kangzhao
 kangzhao
发布于 2017/07/24 10:34
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一、什么是CAS?

    在计算机科学中,比较和交换(Conmpare And Swap)是用于实现多线程同步的原子指令。 它将内存位置的内容与给定值进行比较,只有在相同的情况下,将该内存位置的内容修改为新的给定值。 这是作为单个原子操作完成的。 原子性保证新值基于最新信息计算; 如果该值在同一时间被另一个线程更新,则写入将失败。 操作结果必须说明是否进行替换; 这可以通过一个简单的布尔响应(这个变体通常称为比较和设置),或通过返回从内存位置读取的值来完成(摘自维基本科)

    JAVA1.5开始引入了CAS,主要代码都放在JUC的atomic包下,如下图:

  

 

二、JAVA中如何实现CAS操作

    以比较简单的AtomicInteger为例,我们看一下都有哪些方法:

    从图中可以看出JAVA中的CAS操作都是通过sun包下Unsafe类实现,而Unsafe类中的方法都是native方法,由JVM本地实现,笔者为了弄清楚真正的实现原理,查看了openJDK7的源码,下面就稍作分析:

  

  

    Unsafe中对CAS的实现是C++写的,从上图可以看出最后调用的是Atomic:comxchg这个方法,这个方法的实现放在hotspot下的os_cpu包中,说明这个方法的实现和操作系统、CPU都有关系,我们以linux的X86处理器的实现为例来进行分析

    Linux的X86下主要是通过cmpxchgl这个指令在CPU级完成CAS操作的,但在多处理器情况下必须使用lock指令加锁来完成。从这个例子就可以比较清晰的了解CAS的底层实现了,当然不同的操作系统和处理器的实现会有所不同,大家可以自行了解。

 

三、CAS在JUC中的运用

    我们看一下JUC中非常重要的一个类AbstractQueuedSynchronizer,作为JAVA中多种锁实现的父类,其中有很多地方使用到了CAS操作以提升并发的效率

  

上图为同步队列的入队操作,也是一种乐观锁的实现,多线程情况下,操作头节点和尾节点都有可能失败,失败后会再次尝试,直到成功。

 

四、ABA问题

  CAS可以有效的提升并发的效率,但同时也会引入ABA问题。

  如线程1从内存X中取出A,这时候另一个线程2也从内存X中取出A,并且线程2进行了一些操作将内存X中的值变成了B,然后线程2又将内存X中的数据变成A,这时候线程1进行CAS操作发现内存X中仍然是A,然后线程1操作成功。虽然线程1的CAS操作成功,但是整个过程就是有问题的。比如链表的头在变化了两次后恢复了原值,但是不代表链表就没有变化。

  所以JAVA中提供了AtomicStampedReference/AtomicMarkableReference来处理会发生ABA问题的场景,主要是在对象中额外再增加一个标记来标识对象是否有过变更

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