并发编程——CAS

Posted 2023-03-09 耶瞳

如果有兴趣了解更多相关内容的话，可以来我的个人网站看看：耶瞳空间

一：前言

首先看一个案例：我们开发一个网站，需要对访问量进行统计，用户每发送一次请求，访问量+1，如何实现？我们模拟有100个人同时访问，并且每个人对网站发起10次请求，最后总访问次数应该是1000次。

模拟代码如下：

import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class Demo 
    // 总访问量
    static int count = 0;

    // 模拟访问的方法
    public static void request() throws InterruptedException 
        // 模拟耗时5毫秒
        TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(5);
        count++;
    

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException 
        // 开始时间
        long startTime = System.currentTimeMillis();
        int threadSize = 100;
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threadSize);

        for (int i = 0; i < threadSize; i++) 
            Thread thread = new Thread(new Runnable() 
                @Override
                public void run() 
                    // 模拟用户行为，每个用户访问10次网站
                    try 
                        for (int j = 0; j < 10; j++) 
                            request();
                        
                     catch (InterruptedException e) 
                        e.printStackTrace();
                     finally 
                        countDownLatch.countDown();
                    
                
            );
            thread.start();
        
        // 利用countDownLatch实现100个线程结束之后再执行以下代码
        countDownLatch.await();
        long endTime = System.currentTimeMillis();
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ", 耗时：" + (endTime - startTime) + ", count = " + count);
    

很明显count不是1000，那么问题出在哪呢？

对于代码中的count++，其实是分这样几个步骤执行的：

1. 获取count的值，记作A：A=count
2. 将A值+1，得到B：B=A+1
3. 将B值赋值给count

如果有A、B这两个线程同时执行count++，他们通知执行到上面步骤的第一步，得到的count是一样的，那么3步操作结束后，count只加了1，导致count结果不正确

那么怎么解决这个问题呢？可以在对count++操作的时候，我们让多个线程排队处理，多个线程同时到达request()方法的时候，只能允许一个线程进去操作，其他的线程在外面等待，等里面的处理完毕出来之后，外面等着的再进去一个，这样操作的count++就是排队进行的，结果一定是正确的

怎么实现排队效果呢？java中synchronized关键字和ReentrantLock都可以实现对资源加锁，保证并发正确性，多线程的情况下可以保证被锁住的资源被串行访问

在代码中就是在request()方法里加synchronized修饰，具体可见我的另一篇博客：并发编程——共享模型之管程

可见上锁之后，访问量就正常了，但也注意到，耗时从63ms变成了5335ms，那是因为在方法上加锁，导致TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(5);也被串行执行了，因此仅仅等待就花费了5000ms，而结果执行错误只是因为count++被并发访问，因此我们可以只给count++加锁：

import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class Demo 
    // 总访问量
    volatile static int count = 0;

    /**
     * @param expectCount 期望值count
     * @param newCount 需要给count赋值的新值
     * @return boolean
     */
    public static synchronized boolean compareAndSwap(int expectCount, int newCount) 
        // 判断count当前值是否和期望值expectCount一致，如果一致，则将newCount赋值给count
        if(getCount() == expectCount) 
            count = newCount;
            return true;
        
        return false;
    

    public static int getCount() 
        return count;
    

    // 模拟访问的方法
    public static void request() throws InterruptedException 
        // 模拟耗时5毫秒
        TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(5);
        int expectCount; // 表示期望值
        while(!compareAndSwap(expectCount = getCount(), expectCount + 1))  
    

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException 
        // 开始时间
        long startTime = System.currentTimeMillis();
        int threadSize = 100;
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threadSize);

        for (int i = 0; i < threadSize; i++) 
            Thread thread = new Thread(new Runnable() 
                @Override
                public void run() 
                    // 模拟用户行为，每个用户访问10次网站
                    try 
                        for (int j = 0; j < 10; j++) 
                            request();
                        
                     catch (InterruptedException e) 
                        e.printStackTrace();
                     finally 
                        countDownLatch.countDown();
                    
                
            );
            thread.start();
        
        // 利用countDownLatch实现100个线程结束之后再执行以下代码
        countDownLatch.await();
        long endTime = System.currentTimeMillis();
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ", 耗时：" + (endTime - startTime) + ", count = " + count);
    

很明显这样程序的效率得到了很大的提升

二：CAS介绍

那现在回到正题，CAS全称“Compare And Swap”，即“比较并替换”。CAS操作包含三个操作数：

• V：要更新的变量(var)
• E：预期值(expected)
• N：新值(new)

比较并交换的过程如下：判断V是否等于E，如果等于，将V的值设置为N；如果不等，说明已经有其它线程更新了V，则当前线程放弃更新，什么都不做。所以这里的预期值E本质上指的是“旧值”。

我们以一个简单的例子来解释这个过程：

1. 如果有一个多线程共享的变量i原本等于5，我现在在线程A中，想把它设置为新的值6，我们使用CAS来做这个事情。
2. 首先我们用i去与5对比，发现它等于5，说明没有被其它线程改过，那我就把它设置为新的值6，此次CAS成功，i的值被设置成了6;
3. 如果不等于5，说明i被其它线程改过了(比如现在i的值为2)，那么我就什么也不做，此次CAS失败，i的值仍为2。

在这个例子中， i就是V，5就是E，6就是N。

那有没有可能我在判断了i为5之后，正准备更新它的新值的时候，被其它线程更改了i的值呢？不会的。因为CAS是一种原子操作，它是一种系统原语，是一条CPU的原子指令，从CPU层面保证它的原子性。当多个线程同时使用CAS操作一个变量时，只有一个会胜出，并成功更新，其余均会失败，但失败的线程并不会被挂起，仅是被告知失败，并且允许再次尝试，这个重试的过程也叫做自旋。当然也允许失败的线程放弃操作。正是基于这样的原理，CAS即时没有使用锁，也能发现其他线程对当前线程的干扰，从而进行及时的处理。

CAS的缺点：

• CPU开销较大：在并发量比较高的情况下，如果许多线程反复尝试更新某一个变量，却又一直更新不成功，循环往复，会给CPU带来很大的压力。
• 不能保证代码块的原子性：CAS机制所保证的只是一个变量的原子性操作，而不能保证整个代码块的原子性。比如需要保证3个变量共同进行原子性的更新，就不得不使用synchronized了。

三：基本使用

java提供了对CAS操作的支持，现在用CAS修改上面的例题：

public class Demo 
  // 总访问量
  static AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);

  // 模拟访问的方法
  public static void request() throws InterruptedException 
    // 模拟耗时5毫秒
    TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(5);
    // 修改访问量
    while (true) 
      int oldCount = count.get();
      int newCount = oldCount + 1;
      if (count.compareAndSet(oldCount, newCount)) 
        break;
      
    
  

  public static void main(String[] args) throws InterruptedException 
    long startTime = System.currentTimeMillis();
    int threadSize = 100;
    CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threadSize);

    for (int i = 0; i < threadSize; i++) 
      Thread thread = new Thread(() -> 
        // 模拟用户行为，每个用户访问10次网站
        try 
          for (int j = 0; j < 10; j++) 
            request();
          
         catch (InterruptedException e) 
          e.printStackTrace();
         finally 
          countDownLatch.countDown();
        
      );
      thread.start();
    
    // 利用countDownLatch实现100个线程结束之后再执行以下代码
    countDownLatch.await();
    long endTime = System.currentTimeMillis();
    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ", 耗时：" + (endTime - startTime) + ", count = " + count);
  

不过需要注意的是，在获取共享变量时，为了保证该变量的可见性，需要使用volatile修饰。volatile可以用来修饰成员变量和静态成员变量，它可以避免线程从自己的工作缓存中查找变量的值，而是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。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。关于volatile，详细介绍可以看我的这篇博客：并发编程——可见性与有序性