CAS原理剖析

CAS底层原理

观点

CAS的全称是Compare-And-Swap,它是CPU并发原语

它的功效是判断内存某个位置的值是否为预期值,若是是则更改为新的值,这个历程是原子的

CAS并发原语体现在Java语言中就是sun.misc.Unsafe类的各个方式。挪用UnSafe类中的CAS方式,JVM会帮我们实现出CAS汇编指令,这是一种完全依赖于硬件的功效,通过它实现了原子操作,再次强调,由于CAS是一种系统原语,原语属于操作系统应用范围,是由若干条指令组成,用于完成某个功效的一个历程,而且原语的执行必须是延续的,在执行历程中不允许被中止,也就是说CAS是一条CPU的原子指令,不会造成所谓的数据不一致的问题,也就是说CAS是线程平安的。

代码使用

首先挪用AtomicInteger建立了一个实例, 并初始化为10

// 建立一个原子类
AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(10);

然后挪用CAS方式,贪图更新成2020,这里有两个参数,一个是10,示意期望值,第二个就是我们要更新的值

atomicInteger.compareAndSet(10, 2020)

然后再次使用了一个方式,同样将值改成2021

atomicInteger.compareAndSet(10, 2021)

完整代码如下:

/**
 * CAS 对照并交流
 * @author xiao
 * @date 2020/4/23 9:14
 */
public class CASDemo {
    public static void main(String[] args) {
        AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(10);
        /**
         * 一个是期望值,一个是更新值,但期望值和原来的值相同时,才能够更改
         * 假设拿的是10,也就是expect为5,然后我需要更新成 2020
         */
        System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(10, 2020)+"\t当前的值为:"+atomicInteger.get());
        System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(10, 2021)+"\t当前的值为:"+atomicInteger.get());
    }
}

上面代码的执行效果为

CAS原理剖析

这是由于我们执行第一个的时刻,期望值和原本值是知足的,因此修改乐成,然则第二次后,主内存的值已经修改成了2020,不知足期望值,因此返回了false,本次写入失败

CAS原理剖析

这个就类似于SVN或者Git的版本号,若是没有人更悔改,就能够正常提交,否者需要先将代码pull下来,合并代码后,然后提交

CAS底层原理

首先我们先看看 atomicInteger.getAndIncrement()方式的源码

CAS原理剖析

从这里能够看到,底层又挪用了一个unsafe类的getAndAddInt方式

1、unsafe类

CAS原理剖析

Unsafe是CAS的焦点类,由于Java方式无法直接接见底层系统,需要通过内陆(Native)方式来接见,Unsafe相当于一个后门,基于该类可以直接操作特定的内存数据。Unsafe类存在sun.misc包中,其内部方式操作可以像C的指针一样直接操作内存,由于Java中的CAS操作的执行依赖于Unsafe类的方式。

15分钟从零开始搭建支持10w+用户的生产环境(二)

注重Unsafe类的所有方式都是native修饰的,也就是说unsafe类中的方式都直接挪用操作系统底层资源执行响应的义务

为什么Atomic修饰的包装类,能够保证原子性,依赖的就是底层的unsafe类

2、变量valueOffset

示意该变量值在内存中的偏移地址,由于Unsafe就是凭据内存偏移地址获取数据的。

CAS原理剖析

从这里我们能够看到,通过valueOffset,直接通过内存地址,获取到值,然后举行加1的操作

3、变量value用volatile修饰

保证了多线程之间的内存可见性

CAS原理剖析

var5:就是我们从主内存中拷贝到事情内存中的值

那么操作的时刻,需要对照事情内存中的值,和主内存中的值举行对照

假设执行 compareAndSwapInt返回false,那么就一直执行 while方式,直到期望的值和真实值一样

  • val1:AtomicInteger工具自己
  • var2:该工具值得引用地址
  • var4:需要更改的数目
  • var5:用var1和var2找到的内存中的真实值
    • 用该工具当前的值与var5对照
    • 若是相同,更新var5 + var4 并返回true
    • 若是差别,继续取值然后再对照,直到更新完成

这里没有用synchronized,而用CAS,这样提高了并发性,也能够实现一致性,是由于每个线程进来后,进入的do while循环,然后不停的获取内存中的值,判断是否为最新,然后在举行更新操作。

假设线程A和线程B同时执行getAndInt操作(划分跑在差别的CPU上)

  1. AtomicInteger内里的value原始值为3,即主内存中AtomicInteger的 value 为3,凭据JMM模子,线程A和线程B各自持有一份价值为3的副本,划分存储在各自的事情内存
  2. 线程A通过getIntVolatile(var1 , var2) 拿到value值3,这是线程A被挂起(该线程失去CPU执行权)
  3. 线程B也通过getIntVolatile(var1, var2)方式获取到value值也是3,此时恰好线程B没有被挂起,并执行了compareAndSwapInt方式,对照内存的值也是3,乐成修改内存值为4,线程B打完收工,一切OK
  4. 这是线程A恢复,执行CAS方式,对照发现自己手里的数字3和主内存中的数字4不一致,说明该值已经被其它线程抢先一步修悔改了,那么A线程本次修改失败,只能够重新读取后在来一遍了,也就是在执行do while
  5. 线程A重新获取value值,由于变量value被volatile修饰,以是其它线程对它的修改,线程A总能够看到,线程A继续执行compareAndSwapInt举行对照替换,直到乐成。

Unsafe类 + CAS头脑: 也就是自旋,自我旋转

底层汇编

Unsafe类中的compareAndSwapInt是一个内陆方式,该方式的实现位于unsafe.cpp中

  • 先想设施拿到变量value在内存中的地址
  • 通过Atomic::cmpxchg实现对照替换,其中参数X是即将更新的值,参数e是原内存的值

CAS瑕玷

CAS不加锁,保证一次性,然则需要多次对照

  • 循环时间长,开销大(由于执行的是do while,若是对照不乐成一直在循环,最差的情形,就是某个线程一直取到的值和预期值都不一样,这样就会无限循环)
  • 只能保证一个共享变量的原子操作
    • 当对一个共享变量执行操作时,我们可以通过循环CAS的方式来保证原子操作
    • 然则对于多个共享变量操作时,循环CAS就无法保证操作的原子性,这个时刻只能用锁来保证原子性
  • 引出来ABA问题?

ABA问题

。。。。。。。。。

总结

CAS

CAS是compareAndSwap,对照当前事情内存中的值和主物理内存中的值,若是相同则执行划定操作,否者继续对照直到主内存和事情内存的值一致为止

CAS应用

CAS有3个操作数,内存值V,旧的预期值A,要修改的更新值B。当且仅当预期值A和内存值V相同时,将内存值V修改为B,否者什么都不做

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