JUC-CAS

news2024/12/23 5:39:07

1. CAS概述

CAS(Compare ans swap/set) 比较并交换，实现并发的一种底层技术。它将预期的值和内存中的值比较，如果相同，就更新内存中的值。如果不匹配，一直重试（自旋）。Java.util.concurrent.atomic包下的原子类都使用了CAS算法

2. CAS原理

CAS具体的操作是将预期的值和内存中真实的值进行比较，如果相同就更新值。如果不相同就重试（自旋）。
CAS是通过Unsafe的compareAndSwap方法实现的，底层实现是CPU原子指令cmpxchg，不会造成数据不一致的问题。
CAS依靠底层硬件实现的无锁原子算法。比synchronized重量级锁性能更好。

3. CAS与自旋锁

3.1 前置知识：原子引用类AtomicReference

将自定义的类型变成原子类，能够进行cas操作。

    public static void main(String[] args)
    {
        AtomicReference<User> atomicReference = new AtomicReference<>();
        User z3 = new User("z3",22);
        User li4 = new User("li4",28);
        atomicReference.set(z3);
        System.out.println(atomicReference.compareAndSet(z3, li4)+"\t"+atomicReference.get().toString());
        System.out.println(atomicReference.compareAndSet(z3, li4)+"\t"+atomicReference.get().toString());
    }

3.2 CAS实现一个自旋锁：A线程持有锁，B线程自旋等待直到A释放锁。

/**
 * 题目：实现一个自旋锁,复习CAS思想
 * 自旋锁好处：循环比较获取没有类似wait的阻塞。
 *
 * 通过CAS操作完成自旋锁，A线程先进来调用myLock方法自己持有锁5秒钟，B随后进来后发现
 * 当前有线程持有锁，所以只能通过自旋等待，直到A释放锁后B随后抢到。
 */
public class SpinLockDemo
{
    AtomicReference<Thread> atomicReference = new AtomicReference<>();

    public void lock()
    {
        Thread thread = Thread.currentThread();
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t"+"----come in 等待锁");
        while (!atomicReference.compareAndSet(null, thread)) {

        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 拿到锁");
    }

    public void unLock()
    {
        Thread thread = Thread.currentThread();
        atomicReference.compareAndSet(thread,null);
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t"+"----task over,释放锁...");
    }

    public static void main(String[] args)
    {
        SpinLockDemo spinLockDemo = new SpinLockDemo();

        new Thread(() -> {
            spinLockDemo.lock();
            //暂停几秒钟线程
            try { TimeUnit.SECONDS.sleep(5); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }
            spinLockDemo.unLock();
        },"A").start();

        //暂停500毫秒,线程A先于B启动
        try { TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(500); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }

        new Thread(() -> {
            spinLockDemo.lock();

            spinLockDemo.unLock();
        },"B").start();


    }
}

核心思想：

加锁：开始的时候，内存中的值为NULL，一旦有线程进入，预期值为NULL,和真实值匹配将内存设置为当前线程值。(此时其他线程进来后预期值NULL，但是真实值已经被修改所以会自旋，这为加锁)
解锁：释放锁之后，重新设置内存的值为NULL，让其他线程能够进入从而修改

运行结果：
在这里插入图片描述

CAS和synchronized比较

CAS线程不会阻塞，线程一直自旋。
Synchronized会阻塞，会进行线程的上下文切换非常耗费资源。

CAS缺点

循环时间长开销大

CAS如果预测值和真实值不一样，将一直自旋。导致循环CPU开销大。

ABA问题

ABA问题顾名思义就是将线程1在进行CAS操作的时候，另一个线程2已经将A修改为B又快速修改回A，导致一个线程并未发现中间修改过仍能正常进行CAS比较和修改。

ABA问题解决方案

原子时间戳引用：给每次修改都加上一个时间戳(版本号)，CAS操作的时候不仅要比较预测值和真实值，还要比较预测版本号和真实版本号。

new AtomicStampedReference().compareAndSet(V   expectedReference,
                                 V   newReference,
                                 int expectedStamp,
                                 int newStamp)