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  • 2.原子变量 CAS算法

    前面提到,使用volatile无法保证 变量状态的原子性操作,所谓原子性,就是不可再分

      如:i++的原子性问题,i++ 的操作实际上分为三个步骤  "读-改-写"

      (1)保存i的值(一个临时变量中)

      (2)递增i

      (3)返回已保存的值

    当在并发的条件下执行 i++,

    线程1执行 i++,先从主存中 获取 i 的 值(假设初值i=0),还未等 执行i = i + 1,此时线程2进来,也从主存中获取 i 的 值(0)

    然后 线程1 执行了 i = i + 1;(i=1) 线程2再执行 i = i + 1(i=1),这种结果是错误的

    即使使用 volatile ,保证内存的可见性,也是不管用的,即使在主存中进行修改操作,一样会产生这种错误

    此时,可以采用 CAS算法 ,CAS算法 是 乐观锁的一种(冲突检测)(hibernate 的乐观锁是 加一个 version 字段,来判断是否发生了并发)

    CAS(Compare-And-Swap) 算法 保证数据变量的原子性

    CAS 算法是硬件对于并发操作的支持

    CAS 包含了三个操作数:

      * ①内存值 V

      * ②预估值 A

      * ③更新值 B

    * 当且仅当 V == A 时, V = B; 否则,不会执行任何操作。


    过程分析:同样在 并发条件下 执行 i++

      1、线程1 执行 i++,先从主存中获取 i 的值(V=i=0) (设i=0),此时线程2进来,也从主存中 获取 i 的 值(0)

      2、然后线程1 执行 getAndIncrement,即比较和替换一起执行,(过程:再从内存中读取一遍i的值(A=i=0),让 A(0) 与 V(0)进行比较,

    发现 V==A,此时,B = i+1,将B的值更新到内存中(V = B) )

      3、然后 线程2 开始执行 getAndIncrement,即比较和替换一起执行,过程 和 上述类似,不过再从内存读一次值,i的值已经变成了 1 ,即A的值也为1

    让A(1)与V(0)进行比较比较,发现 V!=A, 不执行任何操作

    注:将 V 与 A 比较的意义在于 判断 要更新的值(V)是否发生了改变,如果没有发生改变,则进行 V 的 更新,否则不做任何操作

    再发现 V!=A 后,与 synchronize 不一样的 是,这里不会发生阻塞,不会等当前线程执行完后,再由CPU 分配时间去给线程2去执行,

    而是不停的 循环发送请求,紧接着再去尝试,再去更新,这也是 CAS算法 比普通同步锁的做法 效率要高的原因

    采用CAS算法之后,当有多个线程访问 内存中的共享资源,一次只会有一个线程成功,其他线程都会失败

    java.util.concurrent.atomic 包下提供了一些原子操作的常用类:里面频繁的使用到了CAS算法来保证变量状态的原子性操作

       AtomicBoolean AtomicInteger AtomicLong AtomicReference

       AtomicIntegerArray AtomicLongArray

       AtomicMarkableReference

       AtomicReferenceArray

       AtomicStampedReference

    l核心方法:boolean compareAndSet(expectedValue, updateValue)  (也是CAS里面的核心,即比较和替换一起执行(调用CPU的CAS指令))

     

     1 /*
     2  * 一、i++ 的原子性问题:i++ 的操作实际上分为三个步骤“读-改-写”
     3  *           int i = 10;
     4  *           i = i++; //10
     5  * 
     6  *           (1)保存i的值(一个临时变量中)
     7           (2)递增i
     8           (3)返回已保存的值
     9  * 
    10  * 二、原子变量:在 java.util.concurrent.atomic 包下提供了一些原子变量。
    11  *         1. volatile 保证内存可见性
    12  *         2. CAS(Compare-And-Swap) 算法保证数据变量的原子性
    13  *             CAS 算法是硬件对于并发操作的支持
    14  *             CAS 包含了三个操作数:
    15  *             ①内存值  V
    16  *             ②预估值  A
    17  *             ③更新值  B
    18  *             当且仅当 V == A 时, V = B; 否则,不会执行任何操作。
    19  */
    20 
    21 public class TestAtomic {
    22     public static void main(String[] args) {
    23         
    24         AtomicDemo ad = new AtomicDemo();
    25         for(int i = 0;i<10;i++) {
    26             new Thread(ad).start();
    27         }
    28     }
    29 }
    30 
    31 class AtomicDemo implements Runnable {
    32     //创建原子变量
    33     private AtomicInteger i = new AtomicInteger(0);
    34     @Override
    35     public void run() {
    36         try {
    37             Thread.sleep(200);
    38         } catch (InterruptedException e) {
    39 
    40         }
    41         //查看源码可以发现 循环一直调用compareAndSet(ExceptionValue,UpdateValue)方法,即比较和替换一起执行,
    42         //并且如果失败了,会不停的去尝试更新(里面使用到CAS算法的)
    43         System.out.println(i.getAndIncrement());
    44     }
    45     
    46     
    47 }

    CAS算法本身不会自旋,但是可以自旋CAS来不停地发送请求,如java.util.concurrent.atomic包,这个包里面提供了一组原子类

      我们来看一段AtomicBoolean中的自旋锁的代码

    public final boolean getAndSet(boolean newValue) {
       for (;;) {
           boolean current = get();
           if (compareAndSet(current, newValue))
               return current;
       }
    }
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