并发策略-CAS算法

Posted 2020-09-08

　　对于并发控制而言，我们平时用的锁（synchronized，Lock）是一种悲观的策略。它总是假设每一次临界区操作会产生冲突，因此，必须对每次操作都小心翼翼。如果多个线程同时访问临界区资源，就宁可牺牲性能让线程进行等待，所以锁会阻塞线程执行。

　　与之相对的有一种乐观的策略，它会假设对资源的访问是没有冲突的。既然没有冲突也就无需等待了，所有的线程都在不停顿的状态下持续执行。那如果遇到问题了无锁的策略使用一种叫做比较交换（CAS Compare And Swap）来鉴别线程冲突，一旦检测到冲突产生，就重试当前操作直到没有冲突。CAS算法是非阻塞的，它对死锁问题天生免疫，而且它比基于锁的方式拥有更优越的性能。

　　CAS算法的过程是这样：它包含三个参数 CAS（V,E,N）。V表示要更新的变量，E表示预期的值，N表示新值。仅当V值等于E值时，才会将V的值设置成N，否则什么都不做。最后CAS返回当前V的值。CAS算法需要你额外给出一个期望值，也就是你认为现在变量应该是什么样子，如果变量不是你想象的那样，那说明已经被别人修改过。你就重新读取，再次尝试修改即可。

　　JDK并发包有一个atomic包，里面实现了一些直接使用CAS操作的线程安全的类型。其中最常用的一个类应该就是AtomicInteger。我们以此为例来研究一下没有锁的情况下如何做到线程安全。

private volatile int value;

　　这是AtomicInteger类的核心字段，代表当前实际取值，借助volatile保证线程间数据的可见性。

　　获取内部数据的方法：

  public final int get() {
        return value;
    }

　　我们关注一下incrementAndGet()的内部实现　　

1  public final int incrementAndGet() {
2         for (;;) {
3             int current = get();
4             int next = current + 1;
5             if (compareAndSet(current, next))
6                 return next;
7         }
8     }

 

　　代码第二行使用了一个死循环，原因是：CAS的操作未必都是成功的，因此对于不成功的情况，我们就需要进行不断的尝试。第三行取得当前值，接着+1得到新值next。这里我们使用CAS必需的两个参数：期望值以及新值。使用compareAndSet()将新值next写入。成功的条件是在写入的时刻，当前的值应该要等于刚刚取到的current。如果不是这样则说明AtomicInteger的值在第3行到第5行之间被其他线程修改过了。当前看到的状态是一个过期的状态，因此返回失败，需要进行下一次重试，知道成功为止。

    public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
    }

　　整体的过程就是这样子的，利用CPU的CAS指令，同时借助JNI来完成Java的非阻塞算法。其它原子操作都是利用类似的特性完成的。大概的逻辑应该是这样：

if (this == expect) {
    this = update
    return true;
} else {
    return false;
} 

　　CAS虽然能高效的解决原子问题，但是CAS也会带来1个经典问题即ABA问题：

　　因为CAS需要在操作值的时候检查下值有没有发生变化，如果没有发生变化则更新，但是如果一个值原来是A，变成了B，又变成了A，那么使用CAS进行检查时会发现它的值没有发生变化，但是实际上却变化了。

　　ABA问题的解决思路就是使用版本号。在变量前面追加上版本号，每次变量更新的时候把版本号加一，那么A－B－A 就会变成1A-2B－3A。

　　从Java1.5开始JDK的atomic包里提供了一个类AtomicStampedReference来解决ABA问题。这个类在内部不仅维护了对象值，还维护了一个时间戳（可以是任意的一个整数来表示状态值）。当设置对象值时，对象值和状态值都必须满足期望值才会写入成功。因此即使对象被反复读写，写会原值，只要状态值发生变化，就能防止不恰当的写入。　　

/**
 * @param expectedReference 期望值
 * @param newReference 写入新值
 * @param expectedStamp 期望状态值
 * @param newStamp 新状态值
 * @return true if successful
 */
public boolean compareAndSet(V   expectedReference,
                                 V   newReference,
                                 int expectedStamp,
                                 int newStamp) {
        Pair<V> current = pair;
        return
            expectedReference == current.reference &&
            expectedStamp == current.stamp &&
            ((newReference == current.reference &&
              newStamp == current.stamp) ||
             casPair(current, Pair.of(newReference, newStamp)));
    }