多线程 -- CAS自旋锁Atomic类

Posted 2021-03-05 qwertilh

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了多线程 -- CAS自旋锁Atomic类相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

1、CAS（compare and swap）

CAS 概念：CAS是一种系统原语，能够原子地完成比较和交换两个动作（所谓原语属于操作系统用语范畴。原语由若干条指令组成的，用于完成一定功能的一个过程。primitive or atomic action 是由若干个机器指令构成的完成某种特定功能的一段程序，具有不可分割性·即原语的执行必须是连续的，在执行过程中不允许被中断）。CAS是Compare And Set的缩写。CAS有3个操作数，内存值V，旧的预期值E，要修改的新值N。当且仅当预期值E和内存值V相同时，将内存值V修改为B，否则什么都不做。

CAS 执行流程图：

2、自旋锁（spinlock）

前言：在介绍自旋锁之前，需要提到关键字 Volatile，它可以保证 JMM 模型所规定的可见性+有序性，但是它却不能保证原子性，即如果用它是不能保证对修饰变量操作的原子性的。因此不能用它来作为锁，但是它配合上 CAS 就可以构造出一种“无锁策略”的乐观自旋锁，保证了操作的原子性，而且在适合其应用的场景下效率是比较高的，因为它的优点就是可以避免线程的上下文切换所带来的系统开销。

概念：是指当一个线程在获取锁的时候，如果锁已经被其它线程获取，那么该线程将循环等待，然后不断的判断锁是否能够被成功获取，直到获取到锁才会退出循环。

自旋锁缺点：

1）如果某个线程持有锁的时间过长，就会导致其它等待获取锁的线程进入循环等待，消耗CPU。使用不当会造成CPU使用率极高。

2）上面Java实现的自旋锁不是公平的，即无法满足等待时间最长的线程优先获取锁。不公平的锁就会存在“线程饥饿”问题。

自旋锁优点：

1）自旋锁不会使线程状态发生切换，一直处于用户态，即线程一直都是active的；不会使线程进入阻塞状态，减少了不必要的上下文切换，执行速度快

2）非自旋锁在获取不到锁的时候会进入阻塞状态，从而进入内核态，当获取到锁的时候需要从内核态恢复，需要线程上下文切换。（线程被阻塞后便进入内核（Linux）调度状态，这个会导致系统在用户态与内核态之间来回切换，严重影响锁的性能）

3）ABA问题，例如，在竞争过程中，资源原始值是 A 然后经过一系列线程的改变之后变成 B，最后又变成了 A，等这个时候对某些拿着期望值 A 的线程来说，会有一种资源没有被改变过的错觉。解决这个问题可以在资源里面加上时间戳的属性。

简单示例：

public class SpinLock {

  private AtomicReference<Thread> sign =new AtomicReference<>();

  public void lock(){
    Thread current = Thread.currentThread();
    while(!sign .compareAndSet(null, current)){
    }
  }

  public void unlock (){
    Thread current = Thread.currentThread();
    sign .compareAndSet(current, null);
  }
}