自旋锁与CAS

news2025/1/22 3:09:51

上文我们认识了许许多多的锁，此篇我们的CAS就是从上文的锁策略开展的新概念，我们来一探究竟吧

1. 什么是CAS？

CAS: 全称Compare and swap，字⾯意思:“比较并交换”，⼀个CAS涉及到以下操作：
我们假设内存中的原数据V，旧的预期值A，需要修改的新值B。

比较A与V是否相等。（比较）
如果比较相等，将B写入V。（交换）
返回操作是否成功。

CAS伪代码
下面写的代码不是原子的,真实的CAS是⼀个原子的硬件指令完成的.这个伪代码只是辅助理解CAS的工作流程.

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

说明：

address: 表示要修改的内存地址
expectValue: 预期值
swapValue:要设置的新值

执行流程：

用一个预期值去和内存中的值做比较
如果预期值与内存中的值相等，就用新的值更新内存中的值
如果预期值与内存中的值不相等，就用进入下一次比较

我们前面学习过的线程安全问题是由于CPU的随机调度导致的，我们的处理方法是给有关修改共享变量的代码块加了synchronize关键字，保证了原子性，解决了线程安全问题，
那么问题来了，
为什么我们看到的CAS伪代码并没有保证原子性，那么他是如何保证原子性的呢？？

我们从一段例子来讲解：

在这里插入图片描述

总结：

CAS对应的是硬件指令cmpxchg从CPU做了原子性支持，与LOCK 、UNLOCK 指令同地位
CAS操作每次读取（LOAD）数据是从主内存中读取，并没有对应的工作内存
自旋锁是通过while把CAS进行包裹，让CAS没有成功的时候不停的执行，直到成功执行为止
CAS是一个真正的指令，JVM调用了本地方法之后，对应的CAS指令会在CPU上执行
执行中LOAD数据会访问主内存

2. CAS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;
 }

3. JDK中基于CAS实现的原子类

说明：

JDK中提供了CAS实现的原子类，我们举其中一种AtomicInteger类来说明
我们调用其中的方法getAndIncrement()

//自增 ++i
atomicInteger.getAndIncrement();

我们发现getAndIncrement()方法本质是getAndIncrement()

public final int getAndIncrement() {
        return U.getAndAddInt(this, VALUE, 1);
}

其中调用了Unsafe这个类的方法，是JDK内部的工具类，不建议外部程序员直接调用

private static final Unsafe U = Unsafe.getUnsafe();
//获取内存中字段在对象中的偏移地址
    private static final long VALUE
        = U.objectFieldOffset(AtomicInteger.class, "value");

//1. o表示原子类对象
//2. offset表示内存中字段在对象中的偏移地址
//3. delta表示传入的值
public final int getAndAddInt(Object o, long offset, int delta) {
        int v;
        do {
        //v是CAS操作之前获取的预期值
            v = getIntVolatile(o, offset);
        } while (!weakCompareAndSetInt(o, offset, v, v + delta));
        //while不停的自旋
        return v;
    }

   public final boolean weakCompareAndSetInt(Object o, long offset,//内存地址
                                              int expected,//预期值
                                              int x) {//要设置的值
        return compareAndSetInt(o, offset, expected, x);//最后调用compareAndSetInt()方法
    }

//native表示本地方法，即对应了一条CAS指令cmpxchg
public final native boolean compareAndSetInt(Object o, long offset,
                                                 int expected,
                                                 int x);

图解如下：

4. CAS的ABA问题

首先我们要知道什么是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value,初始值为A.
接下来,线程t1想使用CAS把value值改成Z,那么就需要
先读取value的值,记录到oldValue变量中.
使用CAS判定当前value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value的值从A改成了B,又从B改成了A

举个例子： 今天是疯狂星期四，我和我的女友共用一个小荷包吃饭，我和她说如果小荷包里面有100元 (A状态) 晚上6点就点KFC吃，我怕她忘记了，我就先自己点了，此时，小荷包余额为50元 (B状态) 然后我的朋友疯狂星期四V我50，小荷包的钱又变回了100 (A状态)，她再点的时候，发现小荷包还是100元，她就再点了一份，就导致多点了一份KFC

那么我们该如何解决ABA问题呢？？
在点KFC的例子当中，我们可以让他查看一下消费记录(版本号)，此时的100元是否是开始的100元，
由此可得，我们可以可以给value数据加上一个版本号，当线程2要修改时，不仅要value要符合预期值，同时版本号也要符合
即：
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,