CAS 与 volatile

news2025/1/1 9:27:52

CAS

volatile

为什么无锁效率高

CAS 的特点

CAS

AtomicInteger 内部并没有用锁来保护共享变量的线程安全。那么它是如何实现的呢？

public void withdraw(Integer amount) {
         while(true) {
         // 需要不断尝试，直到成功为止
             while (true) {
                 // 比如拿到了旧值 1000
                 int prev = balance.get();
                 // 在这个基础上 1000-10 = 990
                 int next = prev - amount;
                 /*
                     compareAndSet 正是做这个检查，在 set 前，先比较 prev 与当前值
                     - 不一致了，next 作废，返回 false 表示失败
                     比如，别的线程已经做了减法，当前值已经被减成了 990
                     那么本线程的这次 990 就作废了，进入 while 下次循环重试
                     - 一致，以 next 设置为新值，返回 true 表示成功
                 */
                 if (balance.compareAndSet(prep, next)) {
                     break;
                 }
         }
     }
}

其中的关键是 compareAndSet ，它的简称就是 CAS （也有 Compare And Swap 的说法），它必须是原子操作。

注意

其实 CAS 的底层是 lock cmpxchg 指令（ X86 架构），在单核 CPU 和多核 CPU 下都能够保证【比较 - 交换】的原子性。

在多核状态下，某个核执行到带 lock 的指令时， CPU 会让总线锁住，当这个核把此指令执行完毕，再开启总线。这个过程中不会被线程的调度机制所打断，保证了多个线程对内存操作的准确性，是原子的。

volatile

获取共享变量时，为了保证该变量的可见性，需要使用 volatile 修饰。

它可以用来修饰成员变量和静态成员变量，他可以避免线程从自己的工作缓存中查找变量的值，必须到主存中获取它的值，线程操作 volatile 变量都是直接操作主存。即一个线程对 volatile 变量的修改，对另一个线程可见。

注意

volatile 仅仅保证了共享变量的可见性，让其它线程能够看到最新值，但不能解决指令交错问题（不能保证原子性）

CAS 必须借助 volatile 才能读取到共享变量的最新值来实现【比较并交换】的效果

为什么无锁效率高

无锁情况下，即使重试失败，线程始终在高速运行，没有停歇，而 synchronized 会让线程在没有获得锁的时候，发生上下文切换，进入阻塞。打个比喻, 线程就好像高速跑道上的赛车，高速运行时，速度超快，一旦发生上下文切换，就好比赛车要减速、熄火，等被唤醒又得重新打火、启动、加速... 恢复到高速运行，代价比较大

但无锁情况下，因为线程要保持运行，需要额外 CPU 的支持， CPU 在这里就好比高速跑道，没有额外的跑道，线程想高速运行也无从谈起，虽然不会进入阻塞，但由于没有分到时间片，仍然会进入可运行状态，还是会导致上下文切换。