Java:CAS(乐观锁)

本文讲解CAS机制,主要是因为最近准备面试题,发现这个问题在面试中出现的频率非常的高,因此把自己学习过程中的一些理解记录下来,希望能对大家也有帮助。

什么是悲观锁、乐观锁?在java语言里,总有一些名词看语义跟本不明白是啥玩意儿,也就总有部分面试官拿着这样的词来忽悠面试者,以此来找优越感,其实理解清楚了,这些词也就唬不住人了。

  • synchronized是悲观锁,这种线程一旦得到锁,其他需要锁的线程就挂起的情况就是悲观锁。
  • CAS操作的就是乐观锁,每次不加锁而是假设没有冲突而去完成某项操作,如果因为冲突失败就重试,直到成功为止。

在进入正题之前,我们先理解下下面的代码:

 private static int count = 0;

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        Thread.sleep(10);
                    } catch (Exception e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    //每个线程让count自增100次
                    for (int i = 0; i < 100; i++) {
                        count++;
                    }
                }
            }).start();
        }

        try{
            Thread.sleep(2000);
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(count);
    }

请问cout的输出值是否为200?答案是否定的,因为这个程序是线程不安全的,所以造成的结果count值可能小于200;

那么如何改造成线程安全的呢,其实我们可以使用上Synchronized同步锁,我们只需要在count++的位置添加同步锁,代码如下:

private static int count = 0;

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        Thread.sleep(10);
                    } catch (Exception e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    //每个线程让count自增100次
                    for (int i = 0; i < 100; i++) {
                        synchronized (ThreadCas.class){
                            count++;
                        }
                    }
                }
            }).start();
        }

        try{
            Thread.sleep(2000);
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(count);
    }

加了同步锁之后,count自增的操作变成了原子性操作,所以最终的输出一定是count=200,代码实现了线程安全。

但是Synchronized虽然确保了线程的安全,但是在性能上却不是最优的,Synchronized关键字会让没有得到锁资源的线程进入BLOCKED状态,而后在争夺到锁资源后恢复为RUNNABLE状态,这个过程中涉及到操作系统用户模式和内核模式的转换,代价比较高。

尽管Java1.6为Synchronized做了优化,增加了从偏向锁到轻量级锁再到重量级锁的过度,但是在最终转变为重量级锁之后,性能仍然较低。

所谓原子操作类,指的是java.util.concurrent.atomic包下,一系列以Atomic开头的包装类。例如AtomicBooleanAtomicIntegerAtomicLong。它们分别用于BooleanIntegerLong类型的原子性操作。


    private static AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        Thread.sleep(10);
                    } catch (Exception e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    //每个线程让count自增100次
                    for (int i = 0; i < 100; i++) {
                        count.incrementAndGet();
                    }
                }
            }).start();
        }

        try{
            Thread.sleep(2000);
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(count);
    }

使用AtomicInteger之后,最终的输出结果同样可以保证是200。并且在某些情况下,代码的性能会比Synchronized更好。

而Atomic操作的底层实现正是利用的CAS机制,好的,我们切入到这个博客的正点。

什么是CAS机制

CAS是英文单词Compare And Swap的缩写,翻译过来就是比较并替换。

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。

更新一个变量的时候,只有当变量的预期值A和内存地址V当中的实际值相同时,才会将内存地址V对应的值修改为B。

CAS是英文单词Compare And Swap的缩写,翻译过来就是比较并替换。

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。

更新一个变量的时候,只有当变量的预期值A和内存地址V当中的实际值相同时,才会将内存地址V对应的值修改为B。

这样说或许有些抽象,我们来看一个例子:

1.在内存地址V当中,存储着值为10的变量。

image

2.此时线程1想要把变量的值增加1。对线程1来说,旧的预期值A=10,要修改的新值B=11。

image

3.在线程1要提交更新之前,另一个线程2抢先一步,把内存地址V中的变量值率先更新成了11。

image

4.线程1开始提交更新,首先进行A和地址V的实际值比较(Compare),发现A不等于V的实际值,提交失败。

4.jpg

5.线程1重新获取内存地址V的当前值,并重新计算想要修改的新值。此时对线程1来说,A=11,B=12。这个重新尝试的过程被称为自旋。

image

6.这一次比较幸运,没有其他线程改变地址V的值。线程1进行Compare,发现A和地址V的实际值是相等的。

image

7.线程1进行SWAP,把地址V的值替换为B,也就是12。

image

从思想上来说,Synchronized属于悲观锁,悲观地认为程序中的并发情况严重,所以严防死守。CAS属于乐观锁,乐观地认为程序中的并发情况不那么严重,所以让线程不断去尝试更新。

看到上面的解释是不是索然无味,查找了很多资料也没完全弄明白,通过几次验证后,终于明白,最终可以理解成一个无阻塞多线程争抢资源的模型。先上代码

import java.util.concurrent.atomic.AtomicBoolean;

/**
 * @author hrabbit
 * 2018/07/16.
 */
public class AtomicBooleanTest implements Runnable {

    private static AtomicBoolean flag = new AtomicBoolean(true);

    public static void main(String[] args) {
        AtomicBooleanTest ast = new AtomicBooleanTest();
        Thread thread1 = new Thread(ast);
        Thread thread = new Thread(ast);
        thread1.start();
        thread.start();
    }
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("thread:"+Thread.currentThread().getName()+";flag:"+flag.get());
        if (flag.compareAndSet(true,false)){
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+""+flag.get());
            try {
                Thread.sleep(5000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            flag.set(true);
        }else{
            System.out.println("重试机制thread:"+Thread.currentThread().getName()+";flag:"+flag.get());
            try {
                Thread.sleep(500);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            run();
        }

    }
}

输出的结果:

thread:Thread-1;flag:true
thread:Thread-0;flag:true
Thread-1false
重试机制thread:Thread-0;flag:false
thread:Thread-0;flag:false
重试机制thread:Thread-0;flag:false
thread:Thread-0;flag:false
重试机制thread:Thread-0;flag:false
thread:Thread-0;flag:false
重试机制thread:Thread-0;flag:false
thread:Thread-0;flag:false
重试机制thread:Thread-0;flag:false
thread:Thread-0;flag:false
重试机制thread:Thread-0;flag:false
thread:Thread-0;flag:false
重试机制thread:Thread-0;flag:false
thread:Thread-0;flag:false
重试机制thread:Thread-0;flag:false
thread:Thread-0;flag:false
重试机制thread:Thread-0;flag:false
thread:Thread-0;flag:false
重试机制thread:Thread-0;flag:false
thread:Thread-0;flag:true
Thread-0false

这里无论怎么运行,Thread-1、Thread-0都会执行if=true条件,而且还不会产生线程脏读脏写,这是如何做到的了,这就用到了我们的compareAndSet(boolean expect,boolean update)方法
我们看到当Thread-1在进行操作的时候,Thread一直在进行重试机制,程序原理图:


image

这个图中重最要的是compareAndSet(true,false)方法要拆开成compare(true)方法和Set(false)方法理解,是compare(true)是等于true后,就马上设置共享内存为false,这个时候,其它线程无论怎么走都无法走到只有得到共享内存为true时的程序隔离方法区。

看到这里,这种CAS机制就是完美的吗?这个程序其实存在一个问题,不知道大家注意到没有?

但是这种得不到状态为true时使用递归算法是很耗cpu资源的,所以一般情况下,都会有线程sleep。

CAS的缺点:

1.CPU开销较大
在并发量比较高的情况下,如果许多线程反复尝试更新某一个变量,却又一直更新不成功,循环往复,会给CPU带来很大的压力。

2.不能保证代码块的原子性
CAS机制所保证的只是一个变量的原子性操作,而不能保证整个代码块的原子性。比如需要保证3个变量共同进行原子性的更新,就不得不使用Synchronized了。

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