java

多线程—乐观锁CAS机制

宋正兵 on 2021-03-22

参考：【基本功】不可不说的Java“锁”事

悲观锁：

多个线程尝试获取同步资源的锁（又或者说是给同步资源加锁）

  • 加锁成功：操作资源，当执行完毕后，释放锁，然后 CPU 会唤醒等待的线程再次尝试获取锁
  • 加锁失败：进入等待队列，当 CPU 唤醒后再次尝试获取锁

乐观锁：

线程直接获取同步资源数据，执行各自的操作，但是在更新内存中的同步资源之前先判断资源是否被其他线程修改，据此进行不同的操作：

  • 同步资源没有被更新：更新内存中同步资源的值
  • 同步资源被其他线程更新：根据实现方法执行不同的操作（报错 or 重试）

meituan

什么是CAS？

CAS（Compare And Swap），即比较并交换，它的功能是判断内存某个位置的值是否为预期值,如果是则更新为新的值,这个过程是原子的。

当多个线程尝试使用 CAS 同时更新一个变量时，只有其中一个线程能更新变量的值，而其他线程都失败，失败的线程不会被挂起，而是被告知在这次竞争中失败，并且可以再次尝试。

CAS 操作中包含三个操作数 —— 需要读写的内存位置（V）、进行比较的预期原值（A）和拟写入的新值（B）。如果内存位置 V 的值与预期原值 A 相匹配，那么处理器会自动将该位置值更新为新值 B，否则处理器不做任何操作。CAS 是通过无限循环来获取数据的，若果在第一轮循环中，t1 线程获取地址里面的值被 t2 线程修改了，那么 t1 线程需要自旋，到下次循环才有可能机会执行。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
public void add(int num) {
    while (true) {
		int prev = ref.get();
        int next = pre + num;
        if (ref.compareAndSet(prev, next)) {
            break;
        }
    }
}

CAS缺点

  1. 循环时间长，开销大。如果CAS失败，会一直进行尝试.如果CAS长时间一直不成功，可能会给CPU带来很大的开销
  2. 只能保证一个共享变量的原子性
  3. 产生ABA问题

ABA问题

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
sequenceDiagram
participant t1
participant Memory
participant t2

Memory ->> t1: 获取值为A
Memory ->> t2: 获取值为A
t2 -->> Memory: compareAndSet(A,B)，修改为B
Memory ->> t2: 获取值为B
t2 -->> Memory: compareAndSet(B,A)，修改为A
t1 -->> Memory: compareAndSet(A,C)，修改为C

如上图所示，在线程 t1 从内存中取出变量值 A，这时另外一个线程 t2 也从内存中取出变量值 A，并且线程 t2 进行了一些操作将内存中变量值变成了 B，然后线程 t2 又将内存中变量值变成了 A，这时候线程 t1 进行 CAS 操作发现内存中仍然是 A，然后线程 t1 操作成功。

尽管线程 t1 的 CAS 操作是成功的，但是不代表这个过程就是没有问题的。

解决方法：

  1. 使用 AtomicStampedReference 类，可以记录更新操作的时间戳版本号；
  2. 使用 AtomicMarkableRenference 类，根据标志位来判断是否更换过。



标签
java