CAS 机制

news2024/9/20 17:01:15


问题分析与思考:

        CAS 是 Java 中 Unsafe 类里面的方法,它的全称是 CompareAndSwap,比较并交换 的意思。

        它的主要功能是能够保证在多线程环境下,对于共享变量的修改的原子性。 举个例子,比如说有这样一个场景(如图),有一个成员变量 state,默认值是 0, 定义了一个方法 doSomething(),这个方法的逻辑是,判断 state 是否为 0 ,如果为 0,就修改成 1。

         这个逻辑看起来没有任何问题,但是在多线程环境下,会存在原子性的问题,因为这里 是一个典型的,Read - Write 的操作。 一般情况下,我们会在 doSomething()这个方法上加同步锁来解决原子性问题。

         但是,加同步锁,会带来性能上的损耗。所以,对于这类场景,我们就可以使用 CAS 机制来进行优化。如下图所示。

        在 doSomething()方法中,我们调用了 unsafe 类中的 compareAndSwapInt()方法来 达到同样的目的,这个方法有四个参数, 分别是:当前对象实例、成员变量 state 在内存地址中的偏移量、预期值 0、期望更改 之后的值 1。

         CAS机制会比较 state 内存地址偏移量对应的值和传入的预期值 0 是否相等,如果相等, 就直接修改内存地址中 state 的值为 1.否则,返回 false,表示修改失败,而这个过程是原子的,不会存在线程安全问题。

 

        CompareAndSwap 是一个 native 方法,实际上它最终还是会面临同样的问题,就是 先从内存地址中读取 state 的值,然后去比较,最后再修改。

        这个过程不管是在什么层面上实现,都会存在原子性问题。 所以呢,CompareAndSwap 的底层实现中,在多核 CPU 环境下,会增加一个 Lock 指令对缓存或者总线加锁,从而保证比较并替换这两个指令的原子性。

结尾:

CAS 主要用在并发场景中,比较典型的使用场景有两个。

        1. 第一个是 JUC 里面 Atomic 的原子实现,比如 AtomicInteger,AtomicLong。

        2. 第二个是实现多线程对共享资源竞争的互斥性质,

            比如在 AQS、 ConcurrentHashMap、ConcurrentLinkedQueue 等都有用到。

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