并发编程-CAS

Java并发编程中,除了通过synchronized进行并发控制外,还可以通过CAS(Compare And Set)的方式控制,大家熟悉的ReentrantLock内部实现大量采用CAS进行控制。

什么是CAS

CAS是Compare And Set的缩写,是以一种无锁的方式实现并发控制。在实际情况下,同时操作同一个对象的概率非常小,所以多数加锁操作做的是无用功,CAS以一种乐观锁的方式实现并发控制。

CAS:给定内存中的期望值和修改后的目标值,如果实际内存中的值等于期望值,则内存值替换为目标值,否则操作失败。该操作具有原子性。

如何利用CAS实现对变量i++操作,保证线程安全:
1. 读取内存数据 j = i
2. CAS(j, j++)
3. 如果成功,返回,如果失败重新执行第一步直到成功。

由于第二步成功的概率很大,所以采用CAS的代价很小;当高并发情况下由于CAS采用自旋的方式对CPU会有较大的操作负担,所以可能会损耗部分CPU资源。

Java Concurrent

Java Concurrent包下大量使用CAS实现并发控制,比如Atomic*,ReentrantLock等。这里详细介绍下AtomicInteger的源码,来加深对CAS的理解。

AtomicInteger 源码

CAS操作被封装在Unsafe类下,由于需要直接操作内存值"value",通过unsafe获取内存值"value"的内存地址(该地址是相对于AtomicaInteger对象的内存地址,Java会将AtomicaInteger对象的内存地址 + valueOffset映射成实际内存地址)。由于是相对内存地址,所以对于任意一个AtomicaInteger对象,该地址是固定的,只需要在static初始化时获取该地址即可。

累加操作
CAS

getAndAddInt操作需要三个操作,var1为内存对象,var2为该内存对象中需要操作的对象偏移量,var4为需要累计的delta量。

首先通过对象地址和相对地址获取内存数据var5即变量"value",再通过compareAndSwapInt操作输入原值var5和目标值var5+var4,如果操作成功返回,操作失败重新读取内存数据再次进行compareAndSwapInt直到成功。

注意:对于CAS操作的内存对象必须具有可见性,即需要使用volitile进行修饰。

CAS解决并发的思路可以在很多场景中借鉴,在数据库使用中,可以采用这种方式来避免加锁操作(乐观锁)。

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