写在开头
在介绍synchronized关键字时,我们提到了锁升级时所用到的CAS算法,那么今天我们就来好好学一学这个CAS算法。
CAS算法对build哥来说,可谓是刻骨铭心,记得是研二去找实习的时候,当时对很多八股文的内容浅尝辄止,很多深奥的知识点只是知道个概念,源码看的也不深,代码量也不够,京东一面,面试官问了CAS算法,大概的介绍了之后,他紧接着追问CAS的三大问题,在很多面试类书籍中背过ABA问题,然后就囫囵吞枣的答了这个,即便后面在面试官的引导下,也没有说清楚其他两个,最终遗憾败北。
面试官当时给的面试表现是:只注重死记硬背,程序员是一个需要创造性的工作,而不是做一个笔者。回来难过了很久,从那时候起,就痛定思痛,大量的看源码,写demo,争取不做同一个知识点上的小丑!现在回想起来,仍然是一份激励,不知道大家在面试时有没有过窘迫,希望诸君能铭记于心,勉而励之!
原子性问题
好了,废话说太多了,现在进入正题!在之前的文章中调到了并发多线程的三大问题,其中之一就是原子性
,讲volatile关键字时,说到它可以保证有序性和可见性但无法保证原子性,啥是原子性呢?
原子性: 一个或者多个操作在 CPU 执行的过程中不被中断的特性;
原子操作: 即最小不可拆分的操作,也就是说操作一旦开始,就不能被打断,直到操作完成。
什么时候原子性问题呢?引用我们之前写过的案例。
【代码示例1】
public class Test {
//计数变量
static volatile int count = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
//线程 1 给 count 加 10000
Thread t1 = new Thread(() -> {
for (int j = 0; j <10000; j++) {
count++;
}
System.out.println("thread t1 count 加 10000 结束");
});
//线程 2 给 count 加 10000
Thread t2 = new Thread(() -> {
for (int j = 0; j <10000; j++) {
count++;
}
System.out.println("thread t2 count 加 10000 结束");
});
//启动线程 1
t1.start();
//启动线程 2
t2.start();
//等待线程 1 执行完成
t1.join();
//等待线程 2 执行完成
t2.join();
//打印 count 变量
System.out.println(count);
}
}
我们创建了2个线程,分别对count进行加10000操作,理论上最终输出的结果应该是20000万对吧,但实际并不是,我们看一下真实输出。
输出:
thread t1 count 加 10000 结束
thread t2 count 加 10000 结束
14281
原因:
Java 代码中 的 count++ ,至少需要三条CPU指令:
- 指令 1:把变量 count 从内存加载到CPU的寄存器
- 指令 2:在寄存器中执行 count + 1 操作
- 指令 3:+1 后的结果写入CPU缓存或内存
即使是单核的 CPU,当线程 1 执行到指令 1 时发生线程切换,线程 2 从内存中读取 count 变量,此时线程 1 和线程 2 中的 count 变量值是相等,都执行完指令 2 和指令 3,写入的 count 的值是相同的。从结果上看,两个线程都进行了 count++,但是 count 的值只增加了 1。这种情况多发生在cpu占用时间较长的线程中,若单线程对count仅增加100,那我们就很难遇到线程的切换,得出的结果也就是200啦。
解决办法:
可以通过JDK Atomic开头的原子类、synchronized、LOCK解决多线程原子性问题,这其中Atomic开头的原子类就是使用乐观锁的一种实现方式CAS算法实现的,那么在了解CAS算法之前,我们还是要先来聊一聊乐观锁。
乐观锁与悲观锁
乐观锁与悲观锁是一组互反锁。
悲观锁(Pessimistic Lock): 线程每次在处理共享数据时都会上锁,其他线程想处理数据就会阻塞直到获得锁。如 synchronized、java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
【代码示例2】
public void testSynchronised() {
synchronized (this) {
// 需要同步的操作
}
}
private Lock lock = new ReentrantLock();
lock.lock();
try {
// 需要同步的操作
} finally {
lock.unlock();
}
乐观锁(Optimistic Lock): 相对乐观,线程每次在处理共享数据时都不会上锁,在更新时会通过数据的版本号机制判断其他线程有没有更新数据,或通过CAS算法实现,乐观锁适合读多写少的应用场景。
版本号机制:
所谓版本号机制,一般是在数据表中加上一个数据版本号 version 字段,来记录数据被修改的次数,线程读取数据时,会把对应的version值也读取下来,当发生更新时,会先将自己读取的version值与数据表中的version值进行比较,如果相同才会更新,不同则表示有其他线程已经抢先一步更新成功,自己继续尝试。
CAS算法:
CAS全称为Compare And Swap(比较与交换)
,是一种算法,更是一种思想,常用来实现乐观锁,通俗理解就是在更新数据前,先比较一下原数据与期待值是否一致,若一致说明过程中没有其他线程更新过,则进行新值替换,否则更新失败,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,当然也允许失败的线程放弃操作。
两种锁的优缺点:
- 乐观锁适用于读多写少的场景,可以省去频繁加锁、释放锁的开销,提高吞吐量;
- 在写比较多的场景下,乐观锁会因为版本号不一致,不断重试更新,产生大量自旋,消耗 CPU,影响性能。这种情况下,适合悲观锁。
CAS算法
那么CAS算法是如何实现的呢?其实在Java中并没有直接给与实现,而是通过JVM底层实现,底层依赖于一条 CPU 的原子指令。那我们在Java中怎么使用,或者说哪里准寻CAS的痕迹呢? 别急,跟着build哥继续向下看!
我们在上面提到了JDK Atomic开头的原子类可以解决原子性问题,那我们就跟进去一探究竟,首先,进入到 java.util.concurrent.atomic 中,里面支持原子更新数组、基本数据类型、引用、字段等,如下图:
现在,我们以比较常用的AtomicInteger为例,选取其getAndAdd(int delta)方法,看一下它的底层实现。
【源码解析1】
public final int getAndAdd(int delta) {
return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta);
}
这里返回的时Unsafe类的getAndAddInt()方法,Unsafe类在sun.misc包中。我们继续根据方法中看源码:
【源码解析2】
public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
int var5;
do {
var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
} while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));
return var5;
}
我们看一下方法中的参数含义
- Object var1 :这个参数代表你想要进行操作的对象的起始地址,如:0x00000111。
- long var2:这个参数是你想要操作的 var1对象中的偏移量。这个偏移量可以通过 Unsafe 类的 objectFieldOffset 方法获得。通俗理解就是需要修改的具体内存地址:如100 ,0x0000011+100 = 0x0000111就是要修改的值的最终内存地址。
- int var4 :这个参数是你想要增加的值。
首先
,在这个方法中采用了do-while循环,通过getIntVolatile(var1, var2)获取当前对象指定的字段值,并将其存入var5中作为预期值,这里的getIntVolatile方法可以保证读取的可见性(禁止指令重拍和CPU缓存,这个之前的文章里解释过,不然冗述);
然后
,在while中调用了Unsafe类的compareAndSwapInt()方法,进行数据的CAS操作。其实在这个类中有好几个CAS操作的实现方法
【源码解析3】
/**
* CAS
* @param o 包含要修改field的对象
* @param offset 对象中某field的偏移量
* @param expected 期望值
* @param update 更新值
* @return true | false
*/
public final native boolean compareAndSwapObject(Object o, long offset, Object expected, Object update);
public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset, int expected,int update);
public final native boolean compareAndSwapLong(Object o, long offset, long expected, long update);
这几个方法都是native方法,相关的实现是通过 C++ 内联汇编的形式实现的(JNI 调用),因此,和cpu与操作系统都有关系,这也是我们在上文中提到CAS失败后,大量自旋带来CPU消耗严重的原因。
继续
,我们回到compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4)方法中来,我们通过var1对象在var2内存地址上的值与先查到的预期值比较一致性,若相等,则将var5 + var4更新到对应地址上,返回true,否则不做任何操作返回false。
如果 CAS 操作成功,说明我们成功地将 var1 对象的 var2 偏移量处的字段的值更新为 var5 + var4,并且这个更新操作是原子性的,因此我们跳出循环并返回原来的值 var5。
如果 CAS 操作失败,说明在我们尝试更新值的时候,有其他线程修改了该字段的值,所以我们继续循环,重新获取该字段的值,然后再次尝试进行 CAS 操作。
注意:
以上是JDK1.8的源码,在JDK1.9后底层实现逻辑略有改动,增加了@HotSpotIntrinsicCandidate 注解,这个注解允许 HotSpot VM 自己来写汇编或 IR 编译器来实现该方法以提供更加的性能。
CAS带来的三大问题
文章写到这里,终于进入了关键,CAS虽然作为一种不加锁就可以实现高效同步的手段,但它并非完美,仍然存在着很多问题,主要分为三个,分别是:ABA问题
、长时间自旋
、多个共享变量的原子操作
,这三个问题也是面试官提及CAS时常问的,希望大家能够理解记住,避免像build哥初入职场时的尴尬!
ABA问题
这是CAS非常经典的问题,由于CAS是否执行成功,是需要将当前内存中的值与期望值做判断,根据是否相等,来决定是否修改原值的,若一个变量V在初始时的值为A,在赋值前去内存中检查它的值依旧是A,这时候我们就想当然认为它没有变过,然后就继续进行赋值操作了,很明显这里是有漏洞的,虽然赋值的操作用时可能很短,但在高并发时,这个A值仍然有可能被其他线程改为了B之后,又被改回了A,那对于我们最初的线程来说,是无法感知的。
很多人可能会问,既然这个变量从A->B->A,这个过程中,它不还是原来的值吗,过程不同但结果依旧没变呀,会导致什么问题呢?我们看下面这个例子:
小明在提款机,提取了50元,因为提款机卡住了,小明点击后,又点击了一次,产生了两个修改账户余额的线程(可以看做是线程1和线程2),假设小明账户原本有100元,因此两个线程同时执行把余额从100变为50的操作。
线程1(提款机):获取当前值100,期望更新为50。
线程2(提款机):获取当前值100,期望更新为50。
线程1成功执行,CPU并没有调度线程2执行,
这时,小华给小明转账50,这一操作产生了线程3,CPU调度线程3执行,这时候线程3成功执行,余额变为100。之后,线程2被CPU调度执行,此时,获取到的账户余额是100,CAS操作成功执行,更新余额为50!此时可以看到,实际余额应该为100(100-50+50),但是实际上变为了50(100-50+50-50)。
这就是ABA问题带来的错误,而对于一个银行的提款机来说,发生这种问题可以说是灾难性的,会大大降低客户对于这家银行的信任程度!
那有没有什么解决方案呢,答案是肯定的!在JDK 1.5 以后的 AtomicStampedReference 类就是用来解决 ABA 问题的,其中的 compareAndSet() 方法就是首先检查当前引用是否等于预期引用,并且当前标志是否等于预期标志,如果全部相等,则以原子方式将该引用和该标志的值设置为给定的更新值。
【源码解析4】
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)));
}
长时间自旋
我们在前面说过CAS适用于读多写少的场景,若被使用在写多的场景,必然会产品大量的版本号不一致情况,从而导致很多线程自旋等待,这对CPU来说很糟糕,可以通过让JVM 能支持处理器提供的 pause 指令,这样对效率会有一定的提升。
PAUSE指令提升了自旋等待循环(spin-wait loop)的性能。当执行一个循环等待时,Intel P4或Intel Xeon处理器会因为检测到一个可能的内存顺序违规(memory order violation)而在退出循环时使性能大幅下降。PAUSE指令给处理器提了个醒:这段代码序列是个循环等待。处理器利用这个提示可以避免在大多数情况下的内存顺序违规,这将大幅提升性能。因为这个原因,所以推荐在循环等待中使用PAUSE指令。
多个共享变量的原子操作
当对一个共享变量执行操作时,CAS 能够保证该变量的原子性。但是对于多个共享变量,CAS 就无法保证操作的原子性,这时通常有两种做法:
- 使用AtomicReference类保证对象之间的原子性,把多个变量放到一个对象里面进行 CAS 操作;
- 使用锁。锁内的临界区代码可以保证只有当前线程能操作。
总结
关于CAS算法以及其存在的三大问题到这里就说完了,现在再回头来看,京东这道面试题很简单,然而由于当年的不努力变成了一种遗憾说出,希望小伙伴们能够引以为戒!
结尾彩蛋
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