Java线程之同步替代方案CAS

1.并发系统的同步机制

在设计并发系统的时候&＃xff0c;设计同步机制是极为重要的一环。

同步机制就是保证状态安全&＃xff0c;保证状态的原子性、可见性和有序性。

最常见的同步机制是使用悲观锁。即使用synchronized、ReentrantLock等工具来实现同步。在这种方案下&＃xff0c;如果发生了竞争&＃xff0c;一些线程就要被操作系统挂起&＃xff0c;在稍后又要恢复运行。操作系统在挂起和恢复线程的过程中存在很大的开销。

与锁相比&＃xff0c;volatile是一种更轻量级的同步机制。但是volatile的使用场景局限性很大&＃xff1a;它不能用于构建原子的复合操作&＃xff0c;就是只能保证一个状态变量同步&＃xff1b;它也不能用于新值依赖旧值的情况。

除了这两种情况&＃xff0c;还有第三种方案&＃xff1a;Compare and Swap&＃xff0c;简称CAS。CPU支持很多原子指令&＃xff0c;比如&＃xff1a;测试并设置&＃xff08;Test-and-Set&＃xff09;&＃xff0c;获取并递增&＃xff08;Fetch-and-Increment&＃xff09;&＃xff0c;交换&＃xff08;Swap&＃xff09;&＃xff0c;比较并交换&＃xff08;Compare-and-Swap&＃xff09;…… CAS正是CPU的一个原子指令。但是&＃xff0c;并不是每一种CPU架构都实现了CAS。

CAS包含了3个操作数——需要读写的内存位置V&＃xff0c;进行比较的值A和拟写入的新值B。当且仅当V的值等于A时&＃xff0c;CAS才会通过原子的方式用新值B来更新V的值。可以把CAS看做一把乐观锁。CAS的典型使用模式是&＃xff1a;首先从V中读取值A&＃xff0c;并根据A计算新值B&＃xff0c;然后再通过CAS以原子方式将V中的值由A变成B。

而且&＃xff0c;CAS的性能会随着CPU数量的不同而不同。因为CPU之间要进行同步&＃xff0c;所以CPU越多&＃xff0c;CAS性能越差。

CAS可能会存在ABA问题&＃xff0c;如果V的值首先由A变成B&＃xff0c;再由B变成A&＃xff0c;这仍然发生了变化&＃xff0c;但是可以更新成功。这个问题可以引入版本号来解决&＃xff1a;每修改一次&＃xff0c;内存的版本号就更新一次&＃xff0c;比价的时候带上版本号即可。

当多个线程使用CAS同时更新一组状态变量时&＃xff0c;只有一个线程能更新变量的值&＃xff0c;而其他线程都将失败。失败的线程不会被挂起&＃xff0c;而是返回失败结果&＃xff0c;让应用程序开发者处理。开发者可以重试&＃xff0c;也可以进行一些恢复操作&＃xff0c;也可以直接放弃……这样其实有利有弊&＃xff1a;

• 利&＃xff1a;CAS是CPU指令&＃xff0c;效率肯定比操作系统层面的锁机制高。然后CAS不需要挂起线程&＃xff0c;所以就没有挂起和恢复线程的开销。获取一把无竞争的锁的开销大约是CAS操作的开销的两倍。
• 弊&＃xff1a;竞争失败的善后操作由开发者提供&＃xff0c;会增加程序的复杂度&＃xff1b;在竞争很激烈的情况下&＃xff0c;善后操作会变得很多&＃xff0c;直接降低性能。

所以&＃xff0c;在竞争程度较高的情况下锁的性能反而可能会更好。而且使用CAS开发的复杂度会比使用锁高很多&＃xff0c;建议直接使用由开发专家开发好的基于CAS的并发系统&＃xff0c;应用开发者不要随便使用CAS进行开发。

2.Java中用CAS实现的非阻塞算法

从Java 8之后&＃xff0c;ConcurrentHashMap、ConcurrentLinkedDeque、ConcurrentLinkedQueue、ConcurrentSkipListMap、ConcurrentSkipListSet内部都使用了CAS实现了非阻塞算法。以ConcurrentHashMap为例&＃xff0c;在Java 8之前是使用分段锁的方法实现的并发&＃xff0c;Java 8改成了使用CAS。这些类都是由开发专家实现的&＃xff0c;我们当然可以放心用&＃xff0c;而且性能肯定不错。

3.原子变量类

CAS是CPU指令&＃xff0c;所以如果Java平台不做支持&＃xff0c;Java开发者是没办法使用CAS的。从Java 5开始&＃xff0c;Java平台提供了原子变量类&＃xff0c;在int、long和对象的引用等类型上都公开了CAS操作。这样&＃xff0c;让我们Java开发者也能一定程度上使用CAS设计并发系统。但是不是所有的CPU都支持CAS指令&＃xff0c;这时JVM将使用自旋锁。

共有12个原子变量&＃xff0c;可分为4组&＃xff1a;标量类、更新器类、数组类以及复合变量类&＃xff1a;

• 标量类&＃xff1a;AtomicBoolean、AtomicInteger、AtomicLong。其他基本类型可以先转化成int或long&＃xff0c;再使用原子变量类。
• 更新器类&＃xff1a;AtomicIntegerFieldUpdater、AtomicLongFieldUpdater、AtomicReferenceFieldUpdater。基于反射对非原子类进行原子更新。
• 数组类&＃xff1a;AtomicIntegerArray、AtomicLongArray、AtomicReferenceArray。可以对数组里面的元素进行原子操作。
• 复合变量&＃xff1a;AtomicReference、AtomicMarkableReference、AtomicStampedReference。对普通对象进行原子操作。后面两个可以防止ABA问题。

总结&＃xff1a;

• CAS适合于竞争程度不高的场合&＃xff08;事实上大部分并发系统都是为了实现业务&＃xff0c;竞争都不会很高&＃xff0c;不会故意引入大量竞争&＃xff09;&＃xff1b;
• CAS设计的系统复杂度比锁实现的系统高&＃xff0c;所以Java开发者不要使用CAS开发太复杂的并发系统。在 Java平台中很多非阻塞算法都由CAS实现&＃xff0c;Java开发者可以直接使用&＃xff1b;
• CAS是CPU指令&＃xff0c;Java开发者不能直接使用&＃xff0c;可以借助Java平台公开的原子变量类使用。