多线程 CAS 机制解析及应用( 原子类 . 自旋锁 )解决 ABA 问题

Posted 2022-07-16 Perceus

@TOC

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CAS ( Compare and swap)

1、解析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：

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.

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

CAS最大的意义，就是让我们写这种多线程安全的代码，提供了一个新的思路和方向 (就和锁不一样了)

很多功能，既可以是硬件实现，也可以是软件实现

就像刚才这段比较交换逻辑，这就相当于硬件直接实现出来了，通过这一条指令，封装好，直接让咱们用了

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2、CAS 应用

1. 基于CAS 能够实现“原子类”

Java 标准库中提供了一组原子类，针对所常用多一些 int, long, int array… 进行了封装，可以基于 CAS 的方式进行修改，并且线程安全

java.util.concurrent.atomic 包，里面的类都是基于这种方式来实现的

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class Demo27 
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException 
        AtomicInteger num = new AtomicInteger(0);

        Thread t1 = new Thread(() -> 
            for (int i = 0; i < 50000; i++) 
                // 这个方法就相当于 num++
                num.getAndIncrement();
            
        );
        Thread t2 = new Thread(() -> 
            for (int i = 0; i < 50000; i++) 
                // 这个方法就相当于 num++
                num.getAndIncrement();
            
        );

//        // ++num
//        num.incrementAndGet();
//        // --num
//        num.decrementAndGet();
//        // num--
//        num.getAndDecrement();
//        // += 10
//        num.getAndAdd(10);

        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();

        // 通过 get 方法得到 原子类 内部的数值.
        System.out.println(num.get());
    

运行结果：

100000

方法：

num.incrementAndGet(); // ++num
num.decrementAndGet(); // --num
num.getAndIncrement(); // num++;
num.getAndDecrement(); // num--;
num.getAndAdd(10); // += 10

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原子类背后具体是怎么实现的

原子类背后具体是怎么实现的？

伪代码实现:

class AtomicInteger 
    private int value;

    public int getAndIncrement() 
        int oldValue = value;
        while ( CAS(value, oldValue, oldValue+1) != true) 
            oldValue = value;
        
        return oldValue;
    

图解：

图上的意思就是：假设两个线程同时调用 getAndIncrement

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2. 基于CAS能够实现自旋锁

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; // 记录下当前锁被哪个线程持有了，为 null 表示当前未加锁

    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;
    

图解：

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CAS中的ABA问题

ABA问题：就是CAS中的关键【先比较，在交换】

而这里的比较，其实是在比较 当前值 和 旧值 是不是相同的。

把这两个值相同的情况，就视为中间没有发生过改变。

所谓的ABA 指的是：

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举—个典型的例子，ABA问题产生的bug：

int oldValue = value; //读取旧值
CAS(&value, oldValue, oldValue - 50)

当按下取款的操作的时候,机器卡了一下，滑稽多按了—下取款~

这就相当于，一次取钱操作,执行了两遍，(两个线程，并发的去执行这个取钱操作)，咱们的预期效果应该是只能取成功一次！(希望取走50，账户还剩50)

假设在取款的一瞬间,滑稽的朋友给他转了50此时就会触发ABA问题

卡了和转了50，这两次巧合导致了一个存在 BUG 的 ABA 问题 (极端场景的问题)

哪怕这样的 bug 出现概率是 0.01%，咱们也需要处理!!!

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如何解决ABA问题

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拓展：

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相关面试题

① 讲解下你自己理解的 CAS 机制

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② ABA问题怎么解决？

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