阅读 1673

面试:为了进阿里,又把并发CAS(Compare and Swap)实现重新精读一遍


前言

在面试中,并发线程安全提问必然是不会缺少的,那基础的CAS原理也必须了解,这样在面试中才能加分,那来看看面试可能会问那些问题:

  • 什么是乐观锁与悲观锁
  • 什么乐观锁的实现方式-CAS(Compare and Swap),CAS(Compare and Swap)实现原理
  • 在JDK并发包中的使用
  • CAS的缺陷

1. 什么是乐观锁与悲观锁?

悲观锁

总是假设最坏的情况,每次读取数据的时候都默认其他线程会更改数据,因此需要进行加锁操作,当其他线程想要访问数据时,都需要阻塞挂起。悲观锁的实现:

  • 传统的关系型数据库使用这种锁机制,比如行锁,表锁等,读锁,写锁等,都是在做操作之前先上锁;
  • Java里面的同步synchronized关键字的实现。

乐观锁

乐观锁,其实就是一种思想,总是认为不会产生并发问题,每次读取数据的时候都认为其他线程不会修改数据,所以不上锁,但是在更新的时候会判断一下在此期间别的线程有没有修改过数据,乐观锁适用于读操作多的场景,这样可以提高程序的吞吐量。实现方式:

  • CAS实现:Java中java.util.concurrent.atomic包下面的原子变量使用了乐观锁的一种CAS实现方式,CAS分析看下节。
  • 版本号控制:一般是在数据表中加上一个数据版本号version字段,表示数据被修改的次数,当数据被修改时,version值会加一。当线程A要更新数据值时,在读取数据的同时也会读取version值,在提交更新时,若刚才读取到的version值为当前数据库中的version值相等时才更新,否则重试更新操作,直到更新成功

乐观锁适用于读多写少的情况下(多读场景),悲观锁比较适用于写多读少场景


2. 乐观锁的实现方式-CAS(Compare and Swap),CAS(Compare and Swap)实现原理

背景

在jdk1.5之前都是使用synchronized关键字保证同步,synchronized保证了无论哪个线程持有共享变量的锁,都会采用独占的方式来访问这些变量,导致会存在这些问题:

  • 在多线程竞争下,加锁、释放锁会导致较多的上下文切换和调度延时,引起性能问题
  • 如果一个线程持有锁,其他的线程就都会挂起,等待持有锁的线程释放锁。
  • 如果一个优先级高的线程等待一个优先级低的线程释放锁,会导致优先级倒置,引起性能风险

为了优化悲观锁这些问题,就出现了乐观锁:

假设没有并发冲突,每次不加锁操作同一变量,如果有并发冲突导致失败,则重试直至成功。

CAS(Compare and Swap)原理

CAS 全称是 compare and swap(比较并且交换),是一种用于在多线程环境下实现同步功能的机制,其也是无锁优化,或者叫自旋,还有自适应自旋。

在jdk中,CASvolatile关键字作为实现并发包的基石。没有CAS就不会有并发包,java.util.concurrent中借助了CAS指令实现了一种区别于synchronized的一种乐观锁。

乐观锁的一种典型实现机制(CAS):

乐观锁主要就是两个步骤:

  • 冲突检测
  • 数据更新

当多个线程尝试使用CAS同时更新同一个变量时,只有一个线程可以更新变量的值,其他的线程都会失败,失败的线程并不会挂起,而是告知这次竞争中失败了,并可以再次尝试。

在不使用锁的情况下保证线程安全,CAS实现机制中有重要的三个操作数:

  • 需要读写的内存位置(V)
  • 预期原值(A)
  • 新值(B)

首先先读取需要读写的内存位置(V),然后比较需要读写的内存位置(V)和预期原值(A),如果内存位置与预期原值的A相匹配,那么将内存位置的值更新为新值B。如果内存位置与预期原值的值不匹配,那么处理器不会做任何操作。无论哪种情况,它都会在 CAS 指令之前返回该位置的值。具体可以分成三个步骤:

  • 读取(需要读写的内存位置(V))
  • 比较(需要读写的内存位置(V)和预期原值(A))
  • 写回(新值(B))

3. CAS在JDK并发包中的使用

在JDK1.5以上 java.util.concurrent(JUC java并发工具包)是基于CAS算法实现的,相比于synchronized独占锁,堵塞算法,CAS是非堵塞算法的一种常见实现,使用乐观锁JUC在性能上有了很大的提升。

CAS如何在不使用锁的情况下保证线程安全,看并发包中的原子操作类AtomicInteger::getAndIncrement()方法(相当于i++的操作):

// AtomicInteger中
//value的偏移量
private static final long valueOffset; 
//获取值
private volatile int value;
//设置value的偏移量
static {
        try {
            valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
                (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
        } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
    }
//增加1
public final int getAndIncrement() {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
    }

复制代码
  • 首先value必须使用了volatile修饰,这就保证了他的可见性与有序性

  • 需要初始化value的偏移量

  • unsafe.getAndAddInt通过偏移量进行CAS操作,每次从内存中读取数据然后将数据进行+1操作,然后对原数据,+1后的结果进行CAS操作,成功的话返回结果,否则重试直到成功为止。

    //unsafe中
    public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
        int var5;
        do {
            //使用偏移量获取内存中value值
            var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
           //比较并value加+1
        } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));
        return var5;
    }
    复制代码

JAVA实现CAS的原理,unsafe::compareAndSwapInt是借助C来调用CPU底层指令实现的。下面是sun.misc.Unsafe::compareAndSwapInt()方法的源代码:

public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset,
                                               int expected, int x);
复制代码

4. CAS的缺陷

ABA问题

在多线程场景下CAS会出现ABA问题,例如有2个线程同时对同一个值(初始值为A)进行CAS操作,这三个线程如下

线程1,期望值为A,欲更新的值为B 线程2,期望值为A,欲更新的值为B

线程3,期望值为B,欲更新的值为A

  • 线程1抢先获得CPU时间片,而线程2因为其他原因阻塞了,线程1取值与期望的A值比较,发现相等然后将值更新为B,
  • 这个时候出现了线程3,线程3取值与期望的值B比较,发现相等则将值更新为A
  • 此时线程2从阻塞中恢复,并且获得了CPU时间片,这时候线程2取值与期望的值A比较,发现相等则将值更新为B,虽然线程2也完成了操作,但是线程2并不知道值已经经过了A->B->A的变化过程。

ABA问题带来的危害:
小明在提款机,提取了50元,因为提款机问题,有两个线程,同时把余额从100变为50
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,线程2某种原因block了,这时,某人给小明汇款50
线程3(默认):获取当前值50,期望更新为100,
这时候线程3成功执行,余额变为100,
线程2从Block中恢复,获取到的也是100,compare之后,继续更新余额为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问题带来的成功提交。

解决方法

  • AtomicStampedReference 带有时间戳的对象引用来解决ABA问题。这个类的compareAndSet方法作用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。
public boolean compareAndSet(
               V      expectedReference,//预期引用
               V      newReference,//更新后的引用
              int    expectedStamp, //预期标志
              int    newStamp //更新后的标志

)
复制代码
  • 在变量前面加上版本号,每次变量更新的时候变量的版本号都+1,即A->B->A就变成了1A->2B->3A

循环时间长开销大

自旋CAS(不成功,就一直循环执行,直到成功)如果长时间不成功,会给CPU带来极大的执行开销。

解决方法:

  • 限制自旋次数,防止进入死循环

  • JVM能支持处理器提供的pause指令那么效率会有一定的提升,

只能保证一个共享变量的原子操作

当对一个共享变量执行操作时,我们可以使用循环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:

  • 如果需要对多个共享变量进行操作,可以使用加锁方式(悲观锁)保证原子性,

  • 可以把多个共享变量合并成一个共享变量进行CAS操作。

各位看官还可以吗?喜欢的话,动动手指点个💗,点个关注呗!!谢谢支持! 欢迎扫码关注,原创技术文章第一时间推出

各位看官还可以吗?喜欢的话,动动手指点个💗,点个关注呗!!谢谢支持!

欢迎扫码关注,原创技术文章第一时间推出