【2020面试】- CAS机制与自旋锁

CAS机制与自旋锁

 

CAS（Compare-and-Swap），即比较并替换，java并发包中许多Atomic的类的底层原理都是CAS。

它的功能是判断内存中某个地址的值是否为预期值，如果是就改变成新值，整个过程具有原子性。

具体体现于sun.misc.Unsafe类中的native方法，调用这些native方法，JVM会帮我们实现汇编指令，这些指令是CPU的原子指令，因此具有原子性。

public class CASDemo {
　　public static void main(String[] args) {

　　　　//初始值5
　　　　AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(5);

　　　　//和5比较,设置为10
　　　　System.out.println("预期值:5,当前值:"+atomicInteger);
　　　　System.out.println("是否设置成功:"+atomicInteger.compareAndSet(5, 10));
　　　　//和5比较,设置为15
　　　　System.out.println("预期值:5,当前值:"+atomicInteger);
　　　　System.out.println("是否设置成功:"+atomicInteger.compareAndSet(5, 15));

　　　　System.out.println("当前值:"+atomicInteger);
　　}
}

输出为：

预期值:5,当前值:5
是否设置成功:true
预期值:5,当前值:10
是否设置成功:false
当前值:10

下面看一下getAndAddInt在底层Unsafe类中的代码（自旋锁），运用到了CAS

//va1为对象，var2为地址值，var4是要增加的值，var5为当前地址中最新的值
public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
        int var5;
        do {
            var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
        } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));

        return var5;
    }

首先通过volatile的可见性，取出当前地址中的值，作为期望值。如果期望值与实际值不符，就一直循环获取期望值，直到set成功。

适用场景：

　　1. CAS 适合简单对象的操作，比如布尔值、整型值等；

　　2. CAS 适合冲突较少的情况，如果太多线程在同时自旋，那么长时间循环会导致 CPU 开销很大；

CAS的缺点：

　　1. CPU开销过大 ： 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带来很到的压力。

　　2. 不能保证代码块的原子性：CAS机制所保证的知识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。

　　3.  ABA问题：如果内存地址V初次读取的值是A，在CAS等待期间它的值曾经被改成了B，后来又被改回为A，那CAS操作就会误认为它从来没有被改变过。

ABA问题以及解决：使用带版本号的原子引用AtomicStampedRefence<V>，或者叫时间戳的原子引用，类似于乐观锁。

// ABA问题及解决方式
public class ABADemo {

　　private static AtomicReference<String> atomicReference = new AtomicReference<>("A");
　　private static AtomicStampedReference<String> stampReference = new AtomicStampedReference<>("A",1);

　　public static void main(String[] args){
　　　　new Thread(()->{
　　　　//获取到版本号
　　　　int stamp = stampReference.getStamp();
　　　　System.out.println("t1获取到的版本号："+stamp);
　　　　try {
　　　　　　//暂停1秒,确保t1,t2版本号相同
　　　　　　TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
　　　　} catch (InterruptedException e) {
　　　　　　e.printStackTrace();
　　　　}
　　　　atomicReference.compareAndSet("A","B");
　　　　atomicReference.compareAndSet("B","A");

　　　　stampReference.compareAndSet("A","B",stamp,stamp+1);
　　　　stampReference.compareAndSet("B","A",stamp+1,stamp+2);
　　　　System.out.println("t1线程ABA之后的版本号："+stampReference.getStamp());

　　　},"t1").start();

　　new Thread(()->{
　　　　//获取到版本号
　　　　int stamp = stampReference.getStamp();
　　　　System.out.println("t2获取到的版本号："+stamp);
　　　　try {
　　　　　　//暂停2秒,等待t1执行完成ABA
　　　　　　TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
　　　　} catch (InterruptedException e) {
　　　　　　e.printStackTrace();
　　　　}
　　　　System.out.print("普通原子类无法解决ABA问题： ");
　　　　System.out.println(atomicReference.compareAndSet("A","C")+" "+atomicReference.get());
　　　　System.out.print("版本号的原子类解决ABA问题： ");
　　　　System.out.println(stampReference.compareAndSet("A","C",stamp,stamp+1)+" "+stampReference.getReference());

　　　　},"t2").start();
　　}
}

输出结果：普通原子引用类在另一个线程完成ABA之后继续修改（把A改成了C），带版本号原子引用有效的解决了这个问题。

t1获取到的版本号：1
t2获取到的版本号：1
t1线程ABA之后的版本号：3
普通原子类无法解决ABA问题： true    C
版本号的原子类解决ABA问题： false    A