什么是CAS机制?(进阶篇)
转载自 永远爱大家的 程序员小灰
这一期我们来深入介绍之前遗留的两个问题:
Java当中CAS的底层实现
CAS的ABA问题和解决方法
首先看一看AtomicInteger当中常用的自增方法 incrementAndGet:
public final int incrementAndGet() {for (;;) {int current = get();int next = current + 1;if (compareAndSet(current, next))return next; }}
private volatile int value;
public final int get() {return value;} 这段代码是一个无限循环,也就是CAS的自旋。循环体当中做了三件事:1.获取当前值。2.当前值+1,计算出目标值。3.进行CAS操作,如果成功则跳出循环,如果失败则重复上述步骤。
这里需要注意的重点是 get 方法,这个方法的作用是获取变量的当前值。
如何保证获得的当前值是内存中的最新值呢?很简单,用volatile关键字来保证。有关volatile关键字的知识,我们之前有介绍过,这里就不详细阐述了。
接下来看一看compareAndSet方法的实现,以及方法所依赖对象的来历:
compareAndSet方法的实现很简单,只有一行代码。这里涉及到两个重要的对象,一个是unsafe,一个是valueOffset。
什么是unsafe呢?Java语言不像C,C++那样可以直接访问底层操作系统,但是JVM为我们提供了一个后门,这个后门就是unsafe。unsafe为我们提供了硬件级别的原子操作。
至于valueOffset对象,是通过unsafe.objectFieldOffset方法得到,所代表的是AtomicInteger对象value成员变量在内存中的偏移量。我们可以简单地把valueOffset理解为value变量的内存地址。
我们在上一期说过,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。
而unsafe的compareAndSwapInt方法参数包括了这三个基本元素:valueOffset参数代表了V,expect参数代表了A,update参数代表了B。
正是unsafe的compareAndSwapInt方法保证了Compare和Swap操作之间的原子性操作。
什么是ABA呢?假设内存中有一个值为A的变量,存储在地址V当中。
此时有三个线程想使用CAS的方式更新这个变量值,每个线程的执行时间有略微的偏差。线程1和线程2已经获得当前值,线程3还未获得当前值。
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住,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仍然处于阻塞状态,线程3继续执行,成功把当前值从B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,所以成功把变量值A更新成了B。
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。
当我们举一个提款机的例子。假设有一个遵循CAS原理的提款机,小灰有100元存款,要用这个提款机来提款50元。
由于提款机硬件出了点小问题,小灰的提款操作被同时提交两次,开启了两个线程,两个线程都是获取当前值100元,要更新成50元。
理想情况下,应该一个线程更新成功,另一个线程更新失败,小灰的存款只被扣一次。
线程1首先执行成功,把余额从100改成50。线程2因为某种原因阻塞了。这时候,小灰的妈妈刚好给小灰汇款50元。
线程2仍然是阻塞状态,线程3执行成功,把余额从50改成100。
线程2恢复运行,由于阻塞之前已经获得了“当前值”100,并且经过compare检测,此时存款实际值也是100,所以成功把变量值100更新成了50。
这个举例改编自《java特种兵》当中的一段例子。原本线程2应当提交失败,小灰的正确余额应该保持为100元,结果由于ABA问题提交成功了。
什么意思呢?真正要做到严谨的CAS机制,我们在Compare阶段不仅要比较期望值A和地址V中的实际值,还要比较变量的版本号是否一致。
我们仍然以最初的例子来说明一下,假设地址V中存储着变量值A,当前版本号是01。线程1获得了当前值A和版本号01,想要更新为B,但是被阻塞了。
这时候,内存地址V中的变量发生了多次改变,版本号提升为03,但是变量值仍然是A。
随后线程1恢复运行,进行Compare操作。经过比较,线程1所获得的值和地址V的实际值都是A,但是版本号不相等,所以这一次更新失败。
在Java当中,AtomicStampedReference类就实现了用版本号做比较的CAS机制。
1. Java语言CAS底层如何实现?
利用unsafe提供了原子性操作方法。
2. 什么是ABA问题?怎么解决?
当一个值从A更新成B,又更新会A,普通CAS机制会误判通过检测。
利用版本号比较可以有效解决ABA问题。
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