多线程——CAS

news2025/2/28 3:00:26

什么是CAS

CAS的全称：Compare and swap，字面意思就是：“比较并交换”，一个CAS涉及到以下操作：
假设内存中的原数据V，旧的预期值A，需要修改的新值B
1.比较A与V是否相等（比较）
2.如果相等，将B写入V（交换）
3.返回操作是否成功
CAS伪代码：
下面写的不是原子的，真正的CAS是一个原子的硬件指令完成的，这个伪代码只是用来辅助理解CAS的工作流程

boolean CAS(address, expectValue, swapValue) {
 if (&address == expectedValue) {
 &address = swapValue;
 return true;
 }
 return false;
}

CAS 有哪些应用

1) 实现原子类

标准库中提供了 java.util.concurrent.atomic 包, ⾥⾯的类都是基于这种⽅式来实现的.
典型的就是 AtomicInteger 类. 其中的 getAndIncrement 相当于 i++ 操作.

AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);
// 相当于 i++
atomicInteger.getAndIncrement();

伪代码表示：

class AtomicInteger {
 private int value;
 public int getAndIncrement() {
 int oldValue = value;
 while ( CAS(value, oldValue, oldValue+1) != true) {
 oldValue = value;
 }
 return oldValue;
    }
 }

2) 实现自旋锁

基于 CAS 实现更灵活的锁, 获取到更多的控制权.
自旋锁伪代码

public class SpinLock {
 private Thread owner = null;
 public void lock(){
 // 通过 CAS 看当前锁是否被某个线程持有. 
 // 如果这个锁已经被别的线程持有, 那么就⾃旋等待. 
 // 如果这个锁没有被别的线程持有, 那么就把 owner 设为当前尝试加锁的线程. 
 while(!CAS(this.owner, null, Thread.currentThread())){
 }
 }
 public void unlock (){
 this.owner = null;
 }
}

CAS 的 ABA 问题

什么是 ABA 问题
ABA 的问题:
假设存在两个线程 t1 和 t2. 有⼀个共享变量 num, 初始值为 A.
接下来, 线程 t1 想使⽤ CAS 把 num 值改成 Z, 那么就需要

• 先读取 num 的值, 记录到 oldNum 变量中.
• 使⽤ CAS 判定当前 num 的值是否为 A, 如果为 A, 就修改成 Z.

但是, 在 t1 执⾏这两个操作之间, t2 线程可能把 num 的值从 A 改成了 B, ⼜从 B 改成了 A

线程 t1 的 CAS 是期望 num 不变就修改. 但是 num 的值已经被 t2 给改了. 只不过⼜改成 A 了. 这个时候 t1 究竟是否要更新 num 的值为 Z 呢?

到这一步，t1线程无法区分当前这个变量始终是A，还是经过了一个变化过程
在这里插入图片描述

ABA 问题引来的 BUG

⼤部分的情况下, t2 线程这样的⼀个反复横跳改动, 对于 t1 是否修改 num 是没有影响的. 但是不排除⼀些特殊情况.

假设滑稽⽼哥有 100 存款. 滑稽想从 ATM 取 50 块钱. 取款机创建了两个线程, 并发的来执⾏ -50 操作.
我们期望⼀个线程执⾏ -50 成功, 另⼀个线程 -50 失败. 如果使⽤ CAS 的⽅式来完成这个扣款过程就可能出现问题.

正常的过程

存款 100. 线程1 获取到当前存款值为 100, 期望更新为 50; 线程2 获取到当前存款值为 100, 期望更
新为 50.
线程1 执⾏扣款成功, 存款被改成 50. 线程2 阻塞等待中.
轮到线程2 执⾏了, 发现当前存款为 50, 和之前读到的 100 不相同, 执⾏失败.

异常的过程

存款 100. 线程1 获取到当前存款值为 100, 期望更新为 50; 线程2 获取到当前存款值为 100, 期望更
新为 50.
线程1 执⾏扣款成功, 存款被改成 50. 线程2 阻塞等待中.
在线程2 执⾏之前, 滑稽的朋友正好给滑稽转账 50, 账⼾余额变成 100 !!
轮到线程2 执⾏了, 发现当前存款为 100, 和之前读到的 100 相同, 再次执⾏扣款操作

解决⽅案
给要修改的值, 引⼊版本号. 在 CAS ⽐较数据当前值和旧值的同时, 也要⽐较版本号是否符合预期.
• CAS 操作在读取旧值的同时, 也要读取版本号.
• 真正修改的时候,
◦ 如果当前版本号和读到的版本号相同, 则修改数据, 并把版本号 + 1.
◦ 如果当前版本号⾼于读到的版本号. 就操作失败(认为数据已经被修改过了).
这就好⽐, 判定这个⼿机是否是翻新机, 那么就需要收集每个⼿机的数据, 第⼀次挂在电商⽹站上的⼿机记为版本1, 以后每次这个⼿机出现在电商⽹站上, 就把版本号进⾏递增. 这样如果买家不在意这是翻新机, 就买. 如果买家在意, 就可以直接略过.

对⽐理解上⾯的转账例⼦

假设滑稽⽼哥有 100 存款. 滑稽想从 ATM 取 50 块钱. 取款机创建了两个线程, 并发的来执⾏ -50 操作.

我们期望⼀个线程执⾏ -50 成功, 另⼀个线程 -50 失败.
为了解决 ABA 问题, 给余额搭配⼀个版本号, 初始设为 1.

存款 100. 线程1 获取到存款值为 100, 版本号为 1, 期望更新为 50; 线程2 获取到存款值为 100, 版本
号为 1, 期望更新为 50.
线程1 执⾏扣款成功, 存款被改成 50, 版本号改为2. 线程2 阻塞等待中.
在线程2 执⾏之前, 滑稽的朋友正好给滑稽转账 50, 账⼾余额变成 100, 版本号变成3.
轮到线程2 执⾏了, 发现当前存款为 100, 和之前读到的 100 相同, 但是当前版本号为 3, 之前读到的版本号为 1, 版本⼩于当前版本, 认为操作失败.

在 Java 标准库中提供了 AtomicStampedReference 类. 这个类可以对某个类进⾏包装, 在内部就提供了上⾯描述的版本管理功能.