Java线程(十):CAS
前言
在Java并发包中有这样一个包,java.util.concurrent.atomic,该包是对Java部分数据类型的原子封装,在原有数据类型的基础上,提供了原子性的操作方法,保证了线程安全。以下以AtomicInteger为例,来看一下是怎样实现的。
public final int incrementAndGet() {
for (;;) {
int current = get();
int next = current + 1;
if (compareAndSet(current, next))
return next;
}
}
public final int decrementAndGet() {
for (;;) {
int current = get();
int next = current - 1;
if (compareAndSet(current, next))
return next;
}
}
以这两个方法为例,incrementAndGet方法相当于原子性的++i,decrementAndGet方法相当于原子性的--i(依据第一章和第二章我们知道++i或--i不是一个原子性的操作),这两个方法中都没有使用堵塞式的方式来保证原子性(如Synchronized),那它们是怎样保证原子性的呢,以下引出CAS。
Compare And Swap
CAS 指的是现代 CPU 广泛支持的一种对内存中的共享数据进行操作的一种特殊指令。这个指令会对内存中的共享数据做原子的读写操作。简介一下这个指令的操作过程:首先,CPU 会将内存中将要被更改的数据与期望的值做比較。然后,当这两个值相等时,CPU 才会将内存中的数值替换为新的值。否则便不做操作。最后,CPU 会将旧的数值返回。这一系列的操作是原子的。它们尽管看似复杂,但却是 Java 5 并发机制优于原有锁机制的根本。简单来说,CAS 的含义是“我觉得原有的值应该是什么,假设是,则将原有的值更新为新值,否则不做改动,并告诉我原来的值是多少”。(这段描写叙述引自《Java并发编程实践》)
简单的来说,CAS有3个操作数,内存值V,旧的预期值A,要改动的新值B。当且仅当预期值A和内存值V同样时,将内存值V改动为B,否则返回V。这是一种乐观锁的思路,它相信在它改动之前,没有其他线程去改动它;而Synchronized是一种悲观锁,它觉得在它改动之前,一定会有其他线程去改动它,悲观锁效率非常低。以下来看一下AtomicInteger是怎样利用CAS实现原子性操作的。
volatile变量
private volatile int value;
首先声明了一个volatile变量value,在第二章我们知道volatile保证了变量的内存可见性,也就是全部工作线程中同一时刻都能够得到一致的值。
public final int get() {
return value;
}
Compare And Set
// setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updates
private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
private static final long valueOffset;// 注意是静态的 static {
try {
valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
(AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));// 反射出value属性,获取其在内存中的位置
} catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
} public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}
比較并设置,这里利用Unsafe类的JNI方法实现,使用CAS指令,能够保证读-改-写是一个原子操作。compareAndSwapInt有4个參数,this - 当前AtomicInteger对象,Offset - value属性在内存中的位置(须要强调的是不是value值在内存中的位置),expect - 预期值,update - 新值,依据上面的CAS操作过程,当内存中的value值等于expect值时,则将内存中的value值更新为update值,并返回true,否则返回false。在这里我们有必要对Unsafe有一个简单点的认识,从名字上来看,不安全,确实,这个类是用于运行低级别的、不安全操作的方法集合,这个类中的方法大部分是对内存的直接操作,所以不安全,但当我们使用反射、并发包时,都间接的用到了Unsafe。
循环设置
public final int incrementAndGet() {
for (;;) {// 这样优于while(true)
int current = get();// 获取当前值
int next = current + 1;// 设置更新值
if (compareAndSet(current, next))
return next;
}
}
循环内,获取当前值并设置更新值,调用compareAndSet进行CAS操作,假设成功就返回更新至,否则重试到成功为止。这里可能存在一个隐患,那就是循环时间过长,总是在当前线程compareAndSet时,有还有一个线程设置了value(点子太被了),这个当然是属于小概率时间,眼下Java貌似还不能处理这样的情况。
缺点
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