CAS算法

Posted 2023-04-07 kykangyuky

概述

CAS的全程是：Compare And Swap（比较并交换），CAS是实现并发计算时常用到的技术，Java并发包中的很多类都使用了CAS技术，如ConcurrentHashMap，AtomicInteger原子操作等

CAS操作涉及到3个操作符：当前内存中的值、预估值、即将修改的新增，当且仅当预估值等于内存中的值的时候，才将新的值保存到内存中，否则什么都不做

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作用

CAS可以将比较和交换转换为原子操作，这个原子操作直接由CPU保证，CAS可以保证共享变量赋值时的原子操作

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特点

CAS是一种非阻塞算法的实现，它能在不使用锁的情况下实现多线程安全，所以CAS也是一种无锁算法

一个线程失败或挂起并不会导致其他线程也失败或挂起

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案例

AtomicInteger的incrementAndGet()源码

• AtomicInteger底层使用到了Unsafe类，它提供了原子操作，Unsafe类可以直接操作内存空间的值
• Unsafe的CompareAndSwapInt()方法其实就是CAS方法，它会自旋判断当前内存中的值与预期的值是否相等，如果相等就会把内存中的值用更新值替换，如果不相等则不操作，以此来保证原子性
• 基于硬件平台的汇编指令，在intel的CPU中，使用的是cmpxchg指令，也就是说CAS靠硬件实现，从而在硬件层面提升效率

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优点

1. 由于CAS是非阻塞的，可以避免优先级倒置和死锁等问题
2. 性能好，使用无锁的方式，没有锁竞争带来的系统开销，也没有线程间频繁调度带来的开销

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缺点

1. 循环时间长开销大（自旋）

   • 如果CAS失败，会一直进行尝试，如果CAS长时间一直不成功，可能给CPU带来很大的开销
   • 解决方法：破坏调死循环，当超过一定时间或者一定次数时，return退出

2. 只能保证一个共享变量的原子操作

   • 当对一个共享变量操作时，可以使用循环CAS的方式来保证原子操作，但是对多个共享变量操作时，循环CAS就无法保证操作的原子性
   • 解决方法：
     1. 用锁来保证原子性
     2. 把多个共享变量合成一个共享变量来操作
     3. 封装成对象 ；Java1.5开始，JDK提供了AtomicReference类来保证引用对象之前的原子性，可以把多个变量放到一个对象里来进行CAS操作

3. ABA问题

   • 如果内存地址V初次读取的值是A，并且在准备赋值的时候检查到它的值仍然为A，那我们就能说明它的值没有被其他线程改变过吗？

     如果在这段期间它的值曾经被改称了B，然后又改为A，那CAS就会误认为它从来没有被修改过，这就是ABA问题

   • 解决方法：

     1. Java并发包提供了一个带有标记的原子引用类AtomicStampedReference，它可以通过控制变量值的版本来保证CAS的正确性；即在变量前面添加版本号，每次变量更新的时候都把版本号+1，这样变化过程就变成A-B-A变成1A-2B-3A
     2. 增加时间戳

GUC-1 模拟CAS算法

 

/*
 * 模拟 CAS 算法
 */
public class TestCompareAndSwap {

    public static void main(String[] args) {
        final CompareAndSwap cas = new CompareAndSwap();
        
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(new Runnable() {
                
                @Override
                public void run() {
                    int expectedValue = cas.get();
                    boolean b = cas.compareAndSet(expectedValue, (int)(Math.random() * 101));
                    System.out.println(b);
                }
            }).start();
        }
        
    }
    
}

class CompareAndSwap{
    private int value;
    
    //获取内存值
    public synchronized int get(){
        return value;
    }
    
    //比较
    public synchronized int compareAndSwap(int expectedValue, int newValue){
        int oldValue = value;
        
        if(oldValue == expectedValue){
            this.value = newValue;
        }
        
        return oldValue;
    }
    
    //设置
    public synchronized boolean compareAndSet(int expectedValue, int newValue){
        return expectedValue == compareAndSwap(expectedValue, newValue);
    }
}