CAS无锁机制深入理解

文章由LinuxBoy分享于2020-04-04 11:04:30热评（242）

CAS无锁机制深入理解

1.Java内存模型：JMM

　　在内存模型当中定义一个主内存，所有声明的实例变量都存在于主内存当中，主内存的数据会共享给所有线程，每一个线程有一个块工作内存，工作内存当中主内存数据的副本当更新数据时，会将工作内存中的数据同步到主内存当中；

2.什么是CAS

　　CAS：Compare and Swap，即比较交换；

　　jdk1.5增加了并发包java.util.concurrent.*，其下面的类使用CAS算法实现了区别于synchronized同步锁的一种乐观锁。jdk1.5之前java语言是靠synchronized关键字保证同步的，这是一种独占锁，也是悲观锁；

3.CAS算法理解

　　3.1 与锁相比，使用比较交换会使程序看起来更加复杂一些。但由于其非阻塞性，它对死锁问题天生免疫，并且，线程间的相互影响也远远比基于锁的方式要小；更为重要的是，使用无锁的方式完全没有锁竞争带来的系统开销，也没有线程间频繁调度带来的开销；因此，它要比基于锁的方式拥有更优越的性能；

　　3.2 无锁的好处：

　　　　3.2.1 在高并发情况下，它比有锁的程序拥有更好的性能；

　　　　3.2.2 它天生就是死锁免疫的；

　　3.3 CAS算法的过程：

　　　　它包含三个参数CAS(V,E,N)：V表示更新的变量，E表示预期值，N表示新值；　　　　

　　　　3.3.1 线程访问时，先会将主内存中的数据同步到线程的工作内存当中
　　　　3.3.2 假设线程A和线程B都有对数据进行更改，那么假如线程A先获取到执行权限
　　　　3.3.3 线程A先会对比工作内存当中的数据和主内存当中的数据是否一致，如果一致（V==E）则进行更新，不一致则刷新数据，重新循环判断
　　　　3.3.4 这时更新完毕后，线程B也要进行数据更新，主内存数据和工作内存数据做对比，如果一致则进行更新，不一致则将主内存数据重新更新到工作内存，然后循环再次对比两个内存中的数据直到一致为止

3.4 CAS操作是抱着乐观的态度进行的，它总是认为自己可以成功完成操作；当多个线程同时使用CAS操作一个变量时，只有一个会胜出，并成功更新，其余均会失败；失败的线程不会被挂起，仅是被告知失败，并且允许再次尝试，当然也允许失败的线程放弃操作；基于这样的原理，CAS操作即使没有锁，也可以发现其他线程对当前线程的干扰，并进行恰当的处理；

　　3.5 简单的说，CAS需要你额外给出一个期望值，也就是你认为这个变量现在应该是什么样子的；如果变量不是你想象的那样，那说明它已经被别人修改过了；你就要重新读取，再次尝试修改就好了；

　　3.6 在硬件层面，大部分的现代处理器都已经支持原子性的CAS指令；在jdk1.5以后，虚拟机便可以使用这个指令来实现并发操作和并发数据结构，并且，这种操作在虚拟机中可以说是无处不在；

4.CAS缺点

　　CAS存在一个很明显的问题，即ABA问题；

　　问题：如果变量V初次读取的时候是A，并且在准备赋值的时候检查到它任然是A，那能说明它的值没有被其他线程修改过了吗？

　　如果在这段时间曾经被改成B，然后有改回A，那CAS操作就会误任务它从来没有被修改过。正对这种情况，java并发包提供了一个带有标记的原子应用类AtomicStampedRefernce，它可以通过变量值的版本来保证CAS的正确性；

5.原子类

　　java中的原子类大致可以分为四个类：

　　　　　　原子更新基本类型；

　　　　　　原子更新数组类型；

　　　　　　原子更新引用类型；

　　　　　　原子更新属性类型；

　　这些原子类中都是用了无锁的概念，有的地方直接使用CAS操作的线程安全的类型；

public class AtomicIntegerTest implements Runnable {

    private static Integer count=1;
    private static AtomicInteger atomicInteger=new AtomicInteger();

    @Override
    public void run() {
        while (true){
            int count=getCountAtomic();
            System.out.println(count);
            if (count>=150){
                break;
            }
        }
    }

    public synchronized Integer getCount(){
        try {
            Thread.sleep(50);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return count++;
    }

    public Integer getCountAtomic(){
        try {
            Thread.sleep(50);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return atomicInteger.incrementAndGet();
    }

    public static void main(String[] args){
        AtomicIntegerTest test = new AtomicIntegerTest();
        Thread thread1 = new Thread(test);
        Thread thread2 = new Thread(test);
        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}

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