Java并发之原子变量及CAS算法-下篇

Java并发之原子变量及CAS算法-下篇

 

概述

本文主要讲在Java并发编程的时候，如果保证变量的原子性，在JDK提供的类中是怎么保证变量原子性的呢？。对应Java中的包是：java.util.concurrent.atomic包下。因为涉及到了CAS算法，需要对CAS算法讲解及CAS算法三个问题怎么解决以及和Synchroized比较。文章比较长，所以就分为上下两个篇幅讲解。本文是上篇《Java并发之原子变量及CAS算法-下篇》

本文是《凯哥分享Java并发编程之J.U.C包讲解》系列教程中的第四篇。如果想系统学习，凯哥(kaigejava)建议从第一篇开始看。

在上一篇中，我们讲解了i++在多线程下变量原子性问题以及怎么解决。在本篇中，我们详细讲解什么是CAS算法？CAS和Synchroized区别是什么？以及CAS算法产生的问题及怎么解决。

CAS简介

什么是CAS算法？

CAS:Compare-And-Swap即比较并交换的意思。

CAS包含了三个操作的数据：

主内存中的变量值:V

预估值(可以理解为原来旧的值):A

更新值(操作后，要更新的值)：B

CAS的特点：

当且仅当预估值A=内存值V的时候，才会将V的值更新为B。否则也不操作。

V==A;V=B;

 

使用CAS算法多线程操作的时候，有且仅有一个线程可以操作成功，其他线程都会操作失败。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。

失败的线程采用自旋来进行尝试的。

我们以AtomicInteger对象中的getAndIncrement()方法为例来看看：

 

模拟后的源码：

 

CAS VS Synchroized比较

那么CAS的算法的效率为什么会比Synchronized的效率高呢？

Synchroized是阻塞算法的;而CAS是非阻塞的，采用的是乐观锁技术。

因为阻塞算法是CPU切换的，而CAS是CPU指令操作。CPU切换时间相对于CPU指令操作来说时间更长。所以使用CAS算法的线程比使用Synchroized的效率高。

CAS的优缺点

优点：一种线程同步的解决方案，使用CAS就可以不用加锁来实现线程的安全性。

缺点：

1：只能保证一个共享变量的原子操作；

2：循环时间长，开销很大；

3：会产生ABA问题。

缺点解决方案：

缺点一：

当对一个共享变量操作的时候，可以使用带有自旋(循环)的CAS方法来保证原子性操作，但是如果是多个变量共享的时候，可以封装到对象中或者是使用锁来保证原子性。

缺点二：

如果采用自旋的CAS方式来保证原子性，会一直进行尝试。如果时间太长的话，对CPU来说也会带来很大开销的。

缺点三：ABA问题

何为ABA问题？

如线程A修改共享变量值为A；线程B修改值为B。后来共享变量又被修改成了A，这种情况下CAS算法操作就会误认为共享变量A没有别修改过。这就是CAS算法的“漏洞”。

举个很简单的例子：

 

 

 

解决ABA问题

看到这里大家或许心里会想，我Kao,这不就是一个坑吗？JDK埋下的坑!既然有这个坑，那还敢用吗？？淡定，保持淡定点。你能想到的问题，JDK开发者也能想到。所以补救办法就是：

 

注意：是AtomicStampedReference。虽然和AtomicReference这个类有点像。但是不一样。

查看源码注释：

 

 

简单理解，就是这个类添加了一个版本号。，每次操作都对版本号进行自增，那每次CAS不仅要比较value，还要比较stamp，当且仅当两者都相等，才能够进行更新。

具体怎么操作的呢？

 

在初始化的时候，就定义了pair对象。

在compareAndSet的时候，会对版本号进行比较。如下图：

 

讲明白了CAS原理之后，我们来修改i++的问题。使其成为保证原子性：

很简单只需要修改两行代码即可：

1：声明变量的时候使用AtomicInteger对象：

private AtomicInteger shardData = new AtomicInteger(0);

new AtomicInteger(0)其中的0可以不用写

2：修改i++的方法：

return shardData.getAndIncrement();

 

这样就可以了。

总结

Java中保证变量原子性使用的是current.atomic包下的对象来实现的。

如何保证原子性呢？

1：变量都是用volatile关键字修饰后，保证了内存的可见性；

2：使用CAS算法，保证了原子性。

 

Synchroized VS volatile VS CAS

在上一篇文章中我们知道了Volatile只能保证变量共享变量在内存中的可见性；不互斥；不能保证原子性；

在本篇中，我们知道了CAS是非阻塞的使用乐观锁技术来实现原子性。但是会产生其他问题，不过也可以解决。

Synchroized是阻塞性算法的实现。具有互斥性.

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