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笔记--CAS机制

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今天学习了下CAS机制,顺便整理下知识点通过几个问题加强记忆:

1.什么是CAS机制?

答:CAS即Compare And Swap的缩写,翻译过来就是比较并交换。

2.CAS机制的实现原理是什么?

答:CAS机制当中使用了3个基本操作数,内存地址V、旧的预期值A、要修改的新值B。更新一个变量的时候,只有当旧的预期值A与内存地址V中的实际值相同时,才会将内存地址V中对应的值修改为B。

下面举个例子:

1)内存地址V中存储着值为10的变量。

2)此时线程1想要把变量值加1。对线程1来说,旧的预期值A=10,要修改的新值B=11。

3)在线程1提交更新之前,另一个线程2提前一步将内存地址V中的变量值率先更新成了11。

4)线程1开始提交更新,首先进行A和地址V中的实际值比较(Compare),发现A不等于V中的实际值,提交失败。

5)线程1重新获取内存地址V的当前值,并重新计算想要修改的新值,此时对线程1来说A=11,B=12。这个重新尝试的过程被称为自旋

6)这一次比较幸运,没有其他线程改变地址V中的值,线程1进行Compare,发现A和地址V的实际值是相等的。

7)线程1进行Swap,把地址V的值替换为B,也就是12.

此系列步骤中涉及到以下几个问题:

问题一:如何保证获取的当前值是内存中的最新值?

答:用volatile关键字来保证。

问题二:如何保证比较和更新过程中的原子性?

答:比较和更新过程中的原子性是通过unsafe类来实现的,unsafe为我们提供了硬件级别的原子操作

 

总结:从思想上来说,Synchionized属于悲观锁,悲观的认为程序中的并发情况严重,所以严防死守。CAS属于乐观锁,乐观的认为程序中的并发情况不那么严重,让线程不断去尝试更新。

 

3.Java当中哪些地方用到了CAS机制呢?

答:用到的地方有很多,包括Atomic系列类,以及Lock系列类的底层实现,甚至在Java1.6以上版本,Synchionized转变为重量级锁之前,也会采用CAS机制。

4.CAS机制存在什么样的缺点呢?

答:1)CPU开销较大:在并发量比较高的情况下,如果许多线程反复尝试去更新某一个变量,却又一直更新失败时,循环往复,会给CPU带来很大的压力。

2)不能保证代码块的原子性:CAS机制所保证的只是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,就只能使用Synchionized了。

3)ABA问题(重点):

a、什么是ABA问题?

答:假设内存中又一个值为A的变量存储在内存地址V中,此时有三个线程使用CAS的方式更新这个变量的值,每个线程的执行时间有略微的偏差。线程1和线程2已经获取当前值,线程3还未获取当前值。

接下来,线程1先一步执行成功,把当前值成功从A更新为B;同时线程2因为某种原因被阻塞,没有做更新操作,线程3在线程1更新之后获得了当前值B。再之后线程2仍然阻塞,线程3继续执行,成功将当前值congB更新成了A。最后,线程2终于恢复了运行状态,由于阻塞之前已经获得了“当前值A”,并且经过compare检测,内存地址V中的实际值也是A,所以成功把变量A更新成了B。

在这个过程中,线程2获取到的变量值A是一个旧值,尽管和当前的实际值相同,但内存地址V中的变量已经经历了A->B->A的改变。

表面上看没有什么太大影响,但如果实际中利用CAS机制从取款机上取钱,假如一开始账户有100元,在取款机上取50元时,取款机出现问题同时提交了两次请求,第二次请求在执行时因某种原因阻塞了,这时候有人往你账户中打了50元后,线程二恢复了可执行态继续执行,这个时候就出问题了,原本线程二应该执行失败的,但比较后仍然与旧的预期值一致,账户实际上就会扣款两次。

对于此问题的解决方案是在Compare阶段我们不要只比较预期值,还应个比较变量的版本号是否一致,通过版本号比较就可以有效的解决ABA问题了。

 

本文通过以下文章进行整理:

https://mp.weixin.qq.com/s/f9PYMnpAgS1gAQYPDuCq-w

https://mp.weixin.qq.com/s/nRnQKhiSUrDKu3mz3vItWg

 

 

 

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