Java如何实现原子操作--CAS与锁机制

冷不防 2023-03-06 05:51 90阅读 0赞

## **使用循环CAS实现原子操作** ##

JVM中的CAS操作正是利用了处理器提供的CMPXCHG指令实现的。自旋CAS实现的基本思路就是循环进行CAS操作直到成功为止.

## 那么什么是CAS呢? ##

*  CAS的定义
    
     *  一个线程失败或挂起并不会导致其他线程也失败或挂起，那么这种算法就被称为非阻塞算法。而CAS就是一种非阻塞算法实现，也是一种乐观锁技术，它能在不使用锁的情况下实现多线程安全，所以CAS也是一种无锁算法。
     *  CAS \[公式\] 比较并交换，是一种实现并发算法时常用到的技术，Java并发包中的很多类都使用了CAS技术。CAS具体包括三个参数：**当前内存值V、旧的预期值A、即将更新的值B**，**当且仅当预期值A和内存值V相同时，将内存值修改为B并返回true，否则什么都不做，并返回false**。CAS 有效地说明了“ 我认为位置 V 应该包含值 A，如果真的包含A值，则将 B 放到这个位置，否则，不要更改该位置，只告诉我这个位置现在的值(A)即可。 ”**整个比较并交换的操作是原子操作**。

## CAS实现原子操作的三大问题 ##

1）**ABA问题**。因为CAS需要在操作值的时候，检查值有没有发生变化，如果没有发生变化则更新，但是如果一个值原来是A，变成了B，又变成了A，那么使用CAS进行检查时会发现它的值没有发生变化，但是实际上却变化了。ABA问题的解决思路就是使用版本号。

*  **在变量前面追加上版本号，每次变量更新的时候把版本号加1，那么A→B→A就会变成1A→2B→3A**。从Java 1.5开始，JDK的Atomic包里提供了一个类AtomicStampedReference来解决ABA问题。**这个类的compareAndSet**方法的**作用是首先检查当前引用是否等于预期引用，并且检查当前标志是否等于预期标志，如果全部相等，则以原子方式将该引用和该标志的值设置为给定的更新值**。

.2) **循环时间长开销大**。**自旋CAS如果长时间不成功，会给CPU带来非常大的执行开销**。**如果JVM能支持处理器提供的pause指令，那么效率会有一定的提升**。  
**pause指令有两个作用**：

*  **第一**，**它可以延迟流水线执行指令**（de-pipeline），使CPU不会消耗过多的执行资源，**延迟的时间取决于具体实现的版本，在一些处理器上延迟时间是零**；
 *  **第二**，**它可以避免在退出循环的时候因内存顺序冲突**（Memory Order Violation）**而引起CPU流水线被清空**（CPU Pipeline Flush），**从而提高CPU的执行效率**。

3）**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，我们可以使用循环CAS的方式来保证原子操作，但是对多个共享变量操作时，循环CAS就无法保证操作的原子性，这个时候就可以用锁。还有一个**取巧的办法**，**就是把多个共享变量合并成一个共享变量来操作**。比如，有两个共享变量i＝2，j=a，合并一下ij=2a，然后用CAS来操作ij。**从Java 1.5开始，JDK提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性，就可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作**。

## 使用锁机制实现原子操作 ##

*  锁机制保证了只有获得锁的线程才能够操作锁定的内存区域。JVM内部实现了很多种锁机制，有偏向锁、轻量级锁和重量级锁。
 *  **有意思的是除了偏向锁，JVM实现锁的方式都用了循环CAS**，即当一个线程想进入同步块的时候使用循环CAS的方式来获取锁，当它退出同步块的时候使用循环CAS释放锁。
 *  **具体锁的知识见**：[锁的实现原理与应用][Link 1]

[Link 1]: https://blog.csdn.net/fristjcjdncg/article/details/107824687