Java 底层CAS原理 & Concurrent包实现

CAS:

Compare and Swap, 翻译成比较并交换。
java.util.concurrent包中借助CAS实现了区别于synchronouse同步锁的一种乐观锁。

CAS实现原理:

CAS有3个操作数,内存值V,旧的预期值A,要修改的新值B。当且仅当预期值A和内存值V相同时,将内存值V修改为B,否则什么都不做。

boolean compareAndSwap( V, A, B){
    if (V != A) {
        return false;
    } else {
        V = B;
        return true;
    }
}

这个过程在硬件层面实现的,Java主要用JNI类 UNSAFE实现的。
这里不详细描述其具实现,详情:UNSAFE详情

CAS 缺点:

  1. ABA问题:就是当修改,从A改成B,再从B改回A。那么CAS算法会当他没有变化,但实际上数据是变化了。
    解决方法: 加入版本控制,每次操作都有版本号。
    处理过程: 先检查值有没变化,如果没变,再检查版本号。

  2. 循环时间过长:CAS如果长时间不成功,就会浪费掉非常多的CPU资源。
    解决方法:pause指令。有两个作用:
    a. 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。
    b. 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:当操作一个共享变量时,可以使用CAS,但一个原子操作有多个共享变量时。我们只能用锁来解决问题,获取把多个共享变量合并成一个共享变量。
    解决方法:
    a. 使用锁控制几个共享变量;
    b. 合并几个共享变量使用CAS。


concurrent包的实现

由于java的CAS同时具有 volatile 读和volatile写的内存语义,因此Java线程之间的通信现在有了下面四种方式:

  1. A线程写volatile变量,随后B线程读这个volatile变量。
  2. A线程写volatile变量,随后B线程用CAS更新这个volatile变量。
  3. A线程用CAS更新一个volatile变量,随后B线程用CAS更新这个volatile变量。
  4. A线程用CAS更新一个volatile变量,随后B线程读这个volatile变量。

Java的CAS会使用现代处理器上提供的高效机器级别原子指令,这些原子指令以原子方式对内存执行读-改-写操作,这是在多处理器中实现同步的关键(从本质上来说,能够支持原子性读-改-写指令的计算机器,是顺序计算图灵机的异步等价机器,因此任何现代的多处理器都会去支持某种能对内存执行原子性读-改-写操作的原子指令)。同时,volatile变量的读/写和CAS可以实现线程之间的通信。把这些特性整合在一起,就形成了整个concurrent包得以实现的基石。如果我们仔细分析concurrent包的源代码实现,会发现一个通用化的实现模式:

  1. 首先,声明共享变量为volatile;
  2. 然后,使用CAS的原子条件更新来实现线程之间的同步;
  3. 同时,配合以volatile的读/写和CAS所具有的volatile读和写的内存语义来实现线程之间的通信。

AQS,非阻塞数据结构和原子变量类(java.util.concurrent.atomic包中的类),这些concurrent包中的基础类都是使用这种模式来实现的,而concurrent包中的高层类又是依赖于这些基础类来实现的。从整体来看,concurrent包的实现示意图如下:


concurrent结构

参考文档:
http://www.cnblogs.com/zhuawang/p/4196904.html
concurrent包的实现内容完全转载
http://www.cnblogs.com/zhuawang/p/4196904.html

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