原子操作CAS

原子

原子:Atomic,原子的,不可分隔的最小单位

Java基于阻塞的内置锁Synchronized的缺点

  • 阻塞的线程无法设置优先级,导致高优先级的线程一直无法被执行
  • 获取锁的线程一直不释放锁
  • 同时有且只有一个线程能获取到锁,其他线程都得阻塞等待,导致性能低下
  • 多个线程竞争锁,存在大量的竞争,消耗CPU资源,带来死锁或其他安全问题

CAS原子原理

CAS(Compare And Swap):利用现代处理器的CAS指令保障原子操作(比较和交换两部为一个原子操作)
三个运算符:一个内存地址V,一个期望值A,一个新值B
基本思路:如果地址V上的值与期望值A相等,就给地址V赋新值B,如果不是,则什么都不操作,然后在自旋(死循环)里不断执行CAS操作

// 伪代码
for(;;) {
    int oldValue = get();
    boolean isSuccess = compareAndSet(oldValue, newValue);
    if (isSuccess) {
        break;
    }
}

CAS所带来的问题

  • ABA问题(A -> B -> A)

线程1执行get()返回A值
在执行compareAndSet方法前,线程2执行了get()和compareAndSet()并成功将A值改成了B值
线程3执行了get()和compareAndSet()并成功将B值改成了A值
线程1执行compareAndSet()也会成功,但实际V地址上的值已被修改过

解决方案:添加版本号标识(A1 -> B2 -> A3)

添加一个版本号标识,在每次操作时版本号+1,判断时既要值相等,又要版本号相同,类似于数据库乐观锁

  • 开销问题

长期执行不成功,不断循环重试,造成CPU开销

  • 只能保障一个共享变量的原子操作
JDK中所带的原子操作类
  • 基本类型:AtomicInteger、AtomicBoolean、AtomicLong
  • 数组:AtomicIntegerArray、AtomicLongArray、AtomicReferenceArray
  • 引用类型:AtomicReference、AtomicMarkableReference、AtomicStampedReference
  • 原子更新字段类:AtomicReferenceFieldUpdater、AtomicIntegerFieldUpdater、AtomicLongFieldUpdater