CAS无锁技术

前言&＃xff1a;关于同步&＃xff0c;很多人都知道synchronized&＃xff0c;Reentrantlock等加锁技术&＃xff0c;这种方式也很好理解&＃xff0c;是在线程访问的临界区资源上建立一个阻塞机制&＃xff0c;需要线程等待

其它线程释放了锁&＃xff0c;它才能运行。这种方式很显然是奏效的&＃xff0c;但是它却带来一个很大的问题&＃xff1a;程序的运行效率。线程的上下文切换是非常耗费资源的&＃xff0c;而等待又会有一定的时间消耗&＃xff0c;那么有没有一种方式既能控制程序的同步效果&＃xff0c;又能避免这种锁带来的消耗呢&＃xff1f;答案就是无锁技术&＃xff0c;本篇博客讨论的中心就是无锁。

一&＃xff1a;有锁与无锁

二&＃xff1a;cas技术原理

三&＃xff1a;AtomicInteger与unsafe类

四&＃xff1a;经典的ABA问题与解决方法

五&＃xff1a;总结

正文

一&＃xff1a;有锁与无锁

1.1&＃xff1a;悲观锁与乐观锁

 数据库有两种锁&＃xff0c;悲观锁的原理是每次实现数据库的增删改的时候都进行阻塞&＃xff0c;防止数据发生脏读&＃xff1b;乐观锁的原理是在数据库更新的时候&＃xff0c;用一个version字段来记录版本号&＃xff0c;然后通过比较是不是自己要修改的版本号再进行修改。这其中就引出了一种比较替换的思路来实现数据的一致性&＃xff0c;事实上&＃xff0c;cas也是基于这样的原理。

二&＃xff1a;CAS技术原理

2.1:cas是什么&＃xff1f;

cas的英文翻译全称是compare and set &＃xff0c;也就是比较替换技术&＃xff0c;·它包含三个参数&＃xff0c;CAS(V,E,N),其中V&＃xff08;variile&＃xff09;表示欲更新的变量&＃xff0c;E(Excepted)表示预期的值&＃xff0c;N(New)表示新值,只有当V等于E值的时候吗&＃xff0c;才会将V的值设为N,如果V值和E值不同&＃xff0c;则说明已经有其它线程对该值做了更新&＃xff0c;则当前线程什么都不做&＃xff0c;直接返回V值。

举个例子&＃xff0c;假如现在有一个变量int a&＃61;5;我想要把它更新为6&＃xff0c;用cas的话&＃xff0c;我有三个参数cas&＃xff08;5,5,6&＃xff09;&＃xff0c;我们要更新的值是5&＃xff0c;找到了a&＃61;5&＃xff0c;符合V值&＃xff0c;预期的值也是5符合&＃xff0c;然后就会把N&＃61;6更新给a,a的值就会变成6&＃xff1b;

2.2&＃xff1a;cas的优点

2.2.1cas是以乐观的态度运行的&＃xff0c;它总是认为当前的线程可以完成操作&＃xff0c;当多个线程同时使用CAS的时候只有一个最终会成功&＃xff0c;而其他的都会失败。这种是由欲更新的值做的一个筛选机制&＃xff0c;只有符合规则的线程才能顺利执行&＃xff0c;而其他线程&＃xff0c;均会失败&＃xff0c;但是失败的线程并不会被挂起&＃xff0c;仅仅是尝试失败&＃xff0c;并且允许再次尝试&＃xff08;当然也可以主动放弃&＃xff09;

 2.2.2&＃xff1a;cas可以发现其他线程的干扰&＃xff0c;排除其他线程造成的数据污染

三&＃xff1a;AtomicInteger与unsafe类

CAS在jdk5.0以后就被得到广泛的利用&＃xff0c;而AtomicInteger是很典型的一个类&＃xff0c;接下来我们就来着重研究一下这个类&＃xff1a;

3.1&＃xff1a;AtomicInteger

关于Integer&＃xff0c;它是final的不可变类&＃xff0c;AtomicInteget可以把它视为一种整数类&＃xff0c;它并非是fianl的&＃xff0c;但却是线程安全的&＃xff0c;而它的实现就是著名的CAS了&＃xff0c;下面是一些它的常用方法&＃xff1a;

public final int getAndSet(int newValue)&＃xff1b;
public final boolean compareAndSet(int expect, int update)&＃xff1b;
public final boolean weakCompareAndSet(int expect, int update)&＃xff1b;
public final int getAndIncrement()&＃xff1b;
public final int getAndDecrement()&＃xff1b;
public final int addAndGet(int delta)&＃xff1b;
public final int decrementAndGet()&＃xff1b;
public final int incrementAndGet()

其中主要的方法就是compareAndSet&＃xff0c;我们来测试一下这个方法&＃xff0c;首先先给定一个值是5&＃xff0c;我们现在要把它改成2&＃xff0c;如果expect传的是1&＃xff0c;程序会输出什么呢&＃xff1f;

public class TestAtomicInteger {public static void main(String[] args) {AtomicInteger atomicInteger &＃61; new AtomicInteger(5);boolean isChange &＃61; atomicInteger.compareAndSet(1, 2);int i &＃61; atomicInteger.get();System.out.println("是否变化:"&＃43;isChange);System.out.println(i);}
}

如果我们把期望值改成5的话&＃xff0c;最后的输出结果将是&＃xff1a; // 是否变化:true   2

结论&＃xff1a;只有当期望值与要改的值一致的时候&＃xff0c;cas才会替换原始的值&＃xff0c;设置成新值

3.2:测试AtomicInteger的线程安全性

为此我新建了10个线程&＃xff0c;每个线程对它的值自增5000次&＃xff0c;如果是线程安全的&＃xff0c;应该输出&＃xff1a;50000

public class TestAtomicInteger {static AtomicInteger number&＃61;new AtomicInteger(0);public static class AddThread implements Runnable{&＃64;Overridepublic void run() {for (int i &＃61; 0; i <5000; i&＃43;&＃43;) {number.incrementAndGet();}}}public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Thread[] threads&＃61;new Thread[10];for (int i &＃61; 0; i }

最后重复执行了很多次都是输出&＃xff1a;50000 

3.3&＃xff1a;unsafe类

翻以下这个方法的源码&＃xff0c;可以看到其中是这样实现的&＃xff1a;

主要交给了unsafe类的compareAndSwapInt的方法&＃xff0c;再翻以下可以看到是native的&＃xff0c;也就是本地调用C&＃43;&＃43;实现的源码&＃xff0c;这里我们就不深究了。关于unsafe类&＃xff0c;它有一个最重要的点就是jdk的开发人员认为这个类是很危险的&＃xff0c;所以是unsafe&＃xff01;因此不建议程序员调用这个类&＃xff0c;为此他们还对这个类做了一个绝妙的处理&＃xff0c;让你无法使用它&＃xff1a;

public static Unsafe getUnsafe() {Class class&＃61; Reflection.getCallerClass();if (!VM.isSystemDomainLoader(class.getClassLoader())) {throw new SecurityException("Unsafe");} else {return theUnsafe;}}

public static boolean isSystemDomainLoader(ClassLoader var0) {
return var0 &＃61;&＃61; null;
}

这个方法实现的原理主要是类的加载机制&＃xff0c;应用类的类加载器是有applicationClassLoder加载的&＃xff0c;而jdk的类&＃xff0c;比如关键库&＃xff0c;rt.jar是由Bootstrap加载的&＃xff0c;而BootStrapclassLoader是最上层加载库&＃xff0c;它其实是没有java对象的&＃xff0c;因为jdk的常用类比如&＃xff08;AtomicInteger&＃xff09;加载的时候它会返回null,而我们自定义的类一定不会返回null&＃xff0c;就会抛出异常&＃xff01;

3.4:compareAndSet的方法原理

public final int incrementAndGet(){for(;;){int current&＃61;get();int next&＃61;current&＃43;1;if(compareAndSet(current,next)){
return next;} }}

可以看出这是在一个无限的for循环里&＃xff0c;然后获取当前的值&＃xff0c;再给他加1(固定写死的值&＃xff0c;每次自增1)。然后通过comePareandSet把当前的值和通过&＃43;1获取的值经过cas设值&＃xff0c;这个方法返回一个boolean值&＃xff0c;当成功的时候就返回当前的值&＃xff0c;这样就保证了只有一个线程可以设值成功。注意&＃xff1a;这里是一个死循环&＃xff0c;只有当前值等于设置后的&＃43;1的值时&＃xff0c;它才会跳出循环。这也证明cas是一个不断尝试的过程

四&＃xff1a;经典的ABA问题与解决方法

4.2:AbA问题的产生

    要了解什么是ABA问题&＃xff0c;首先我们来通俗的看一下这个例子&＃xff0c;一家火锅店为了生意推出了一个特别活动&＃xff0c;凡是在五一期间的老用户凡是卡里余额小于20的&＃xff0c;赠送10元&＃xff0c;但是这种活动没人只可享受一次。然后火锅店的后台程序员小王开始工作了&＃xff0c;很简单就用cas技术&＃xff0c;先去用户卡里的余额&＃xff0c;然后包装成AtomicInteger&＃xff0c;写一个判断&＃xff0c;开启10个线程&＃xff0c;然后判断小于20的&＃xff0c;一律加20&＃xff0c;然后就很开心的交差了。可是过了一段时间&＃xff0c;发现账面亏损的厉害&＃xff0c;老板起先的预支是2000块&＃xff0c;因为店里的会员总共也就100多个&＃xff0c;就算每人都符合条件&＃xff0c;最多也就2000啊&＃xff0c;怎么预支了这么多。小王一下就懵逼了&＃xff0c;赶紧debug&＃xff0c;tail -f一下日志&＃xff0c;这不看不知道&＃xff0c;一看吓一跳&＃xff0c;有个客户被充值了10次!

阐述&＃xff1a;

假设有个线程A去判断账户里的钱此时是15&＃xff0c;满足条件&＃xff0c;直接&＃43;20&＃xff0c;这时候卡里余额是35.但是此时不巧&＃xff0c;正好在连锁店里&＃xff0c;这个客人正在消费&＃xff0c;又消费了20&＃xff0c;此时卡里余额又为15&＃xff0c;线程B去执行扫描账户的时候&＃xff0c;发现它又小于20&＃xff0c;又用过cas给它加了20&＃xff0c;这样的话就相当于加了两次&＃xff0c;这样循环往复肯定把老板的钱就坑没了&＃xff01;

本质&＃xff1a;

ABA问题的根本在于cas在修改变量的时候&＃xff0c;无法记录变量的状态&＃xff0c;比如修改的次数&＃xff0c;否修改过这个变量。这样就很容易在一个线程将A修改成B时&＃xff0c;另一个线程又会把B修改成A,造成casd多次执行的问题。

4.3&＃xff1a;AtomicStampReference 

AtomicStampReference在cas的基础上增加了一个标记stamp&＃xff0c;使用这个标记可以用来觉察数据是否发生变化&＃xff0c;给数据带上了一种实效性的检验。它有以下几个参数&＃xff1a;

//参数代表的含义分别是 期望值&＃xff0c;写入的新值&＃xff0c;期望标记&＃xff0c;新标记值
public boolean compareAndSet(V expected,V newReference,int expectedStamp,int newStamp);public V getRerference();public int getStamp();public void set(V newReference,int newStamp);

4.4:AtomicStampReference的使用实例

我们定义了一个money值为19&＃xff0c;然后使用了stamp这个标记&＃xff0c;这样每次当cas执行成功的时候都会给原来的标记值&＃43;1。而后来的线程来执行的时候就因为stamp不符合条件而使cas无法成功&＃xff0c;这就保证了每次

只会被执行一次。

public class AtomicStampReferenceDemo {static AtomicStampedReference money &＃61;new AtomicStampedReference(19,0);public static void main(String[] args) {for (int i &＃61; 0; i <3; i&＃43;&＃43;) {int stamp &＃61; money.getStamp();System.out.println("stamp的值是"&＃43;stamp);new Thread(){ //充值线程&＃64;Overridepublic void run() {while (true){Integer account &＃61; money.getReference();if (account<20){if (money.compareAndSet(account,account&＃43;20,stamp,stamp&＃43;1)){System.out.println("余额小于20元&＃xff0c;充值成功&＃xff0c;目前余额&＃xff1a;"&＃43;money.getReference()&＃43;"元");break;}}else {System.out.println("余额大于20元,无需充值");}}}}.start();}new Thread(){&＃64;Overridepublic void run() { //消费线程for (int j &＃61; 0; j <100; j&＃43;&＃43;) {while (true){int timeStamp &＃61; money.getStamp();//1int currentMoney &＃61;money.getReference();//39if (currentMoney>10){System.out.println("当前账户余额大于10元");if (money.compareAndSet(currentMoney,currentMoney-10,timeStamp,timeStamp&＃43;1)){System.out.println("消费者成功消费10元&＃xff0c;余额"&＃43;money.getReference());break;}}else {System.out.println("没有足够的金额");break;}try {Thread.sleep(1000);}catch (Exception ex){ex.printStackTrace();break;}}}}}.start();}}

 这样实现了线程去充值和消费&＃xff0c;通过stamp这个标记属性来记录cas每次设置值的操作&＃xff0c;而下一次再cas操作时&＃xff0c;由于期望的stamp与现有的stamp不一样&＃xff0c;因此就会设值失败&＃xff0c;从而杜绝了ABA问题的复现。

 五&＃xff1a;总结

      本篇博文主要分享了cas的技术实现原理&＃xff0c;对于无锁技术&＃xff0c;它有很多好处。同时&＃xff0c;指出了它的弊端ABA问题&＃xff0c;与此同时&＃xff0c;也给出了解决方法。jdk源码中很多用到了cas技术&＃xff0c;而我们自己如果使用无锁技术&＃xff0c;一定要谨慎处理ABA问题&＃xff0c;最好使用jdk现有的api&＃xff0c;而不要尝试自己去做&＃xff0c;无锁是一个双刃剑&＃xff0c;用好了&＃xff0c;绝对可以让性能比锁有很大的提升&＃xff0c;用不好就很容易造成数据污染与脏读&＃xff0c;望谨慎之。