CAS无锁机制原理

时间:2022-03-12 12:11:34

原子类

java.util.concurrent.atomic包:原子类的小工具包,支持在单个变量上解除锁的线程安全编程

原子变量类相当于一种泛化的 volatile 变量,能够支持原子的和有条件的读-改-写操作。AtomicInteger 表示一个int类型的值,并提供了 get 和 set 方法,这些 Volatile 类型的int变量在读取和写入上有着相同的内存语义。它还提供了一个原子的 compareAndSet 方法(如果该方法成功执行,那么将实现与读取/写入一个 volatile 变量相同的内存效果),以及原子的添加、递增和递减等方法。AtomicInteger 表面上非常像一个扩展的 Counter 类,但在发生竞争的情况下能提供更高的可伸缩性,因为它直接利用了硬件对并发的支持。

悲观锁  

 

 

为什么会有原子类

CAS:Compare and Swap,即比较再交换。

 

jdk5增加了并发包java.util.concurrent.*,其下面的类使用CAS算法实现了区别于synchronouse同步锁的一种乐观锁。JDK 5之前Java语言是靠synchronized关键字保证同步的,这是一种独占锁,也是是悲观锁。

 

如果同一个变量要被多个线程访问,则可以使用该包中的类

AtomicBoolean

AtomicInteger

AtomicLong

AtomicReference

 

我只说下AtomicInteger,大家了解下。其他的都是类似的。

先看这段代码:

package com.toov5.thread;

import javax.swing.text.AbstractDocument.BranchElement;

//两个线程同时操作一个全局变量 线程安全问题
public class Test01 extends Thread{
    //共享全局变量
    private static int count = 1;  
    
    @Override
    public void run() {
       while(true){
           Integer count = getCount();
           if (count==1000) {
            break;
        }
           System.out.println(count);
       }    
    }
    
    public Integer getCount(){
        try {
            Thread.sleep(500);
        } catch (InterruptedException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }
          return count++;
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        Test01 t1 = new Test01(); 
        Test01 t2 = new Test01(); 
        t1.start();
        t2.start();
    }
    
    
    
}

线程安全问题:

CAS无锁机制原理

解决线程安全问题 可以用synchronize ,原子性 可见性 可重入性  

效率低 不能解决重排序

CAS无锁机制原理

加了之后 还是有这个问题  这是两个线程   用的this锁!!  应该用同步代码块  但是 Runnable就不一样的解决方式了

CAS无锁机制原理

解决!!

synchronize 只有一个线程进去 解决完了 后面的才进来 效率低 阻塞

 

用乐观锁解决:  AtomicInteger

线程安全 共享全局变量 做++操作的 底层是个线程安全的++  

package com.toov5.thread;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

//两个线程同时操作一个全局变量 线程安全问题
public class Test01 implements Runnable{
    //共享全局变量
//    private static int count = 1;  
    AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();
    @Override
    public void run() {
       while(true){
           Integer count = getCount();
           if (count==1000) {
            break;
        }
           System.out.println(count);
       }    
    }
    
    public Integer getCount(){
        try {
            Thread.sleep(500);
        } catch (InterruptedException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }
          return atomicInteger.incrementAndGet();  //每次做自增
    }
    
    public static void main(String[] args) {
       Test01 test01 = new Test01(); 
       Thread t1 = new Thread(test01);
       Thread t2 = new Thread(test01);
       t1.start();
       t2.start();
    }
    
    
    
}

线程安全的,但是他底层没有使用锁   CAS无锁机制

CAS无锁机制原理

do while      做比较 一直比较     类似于自旋锁 自旋嘛

CAS与Java内存模型(JMM)结合理解

  CAS无锁机制 三个参数:

     V :需要更新的变量   主内存中的

     E :预期值               本地内存的

     N :新值                  

如果:

    V=E  说明没有被修改过    将V的值设为N

    V!=E 说明没有被修改过    主内存中的值刷新到本地内存,然后进行循环比较,一致了就改为N

CAS无锁模式

 

什么是CAS

CAS:Compare and Swap,即比较再交换。

jdk5增加了并发包java.util.concurrent.*,其下面的类使用CAS算法实现了区别于synchronouse同步锁的一种乐观锁。JDK 5之前Java语言是靠synchronized关键字保证同步的,这是一种独占锁,也是是悲观锁。

 

CAS算法理解

(1)与锁相比,使用比较交换(下文简称CAS)会使程序看起来更加复杂一些。但由于其非阻塞性,它对死锁问题天生免疫,并且,线程间的相互影响也远远比基于锁的方式要小。更为重要的是,使用无锁的方式完全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,因此,它要比基于锁的方式拥有更优越的性能。

 

(2)无锁的好处:

 

第一,在高并发的情况下,它比有锁的程序拥有更好的性能;

第二,它天生就是死锁免疫的。

 

就凭借这两个优势,就值得我们冒险尝试使用无锁的并发。

 

(3)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表示预期值,N表示新值。仅当V值等于E值时,才会将V的值设为N,如果V值和E值不同,则说明已经有其他线程做了更新,则当前线程什么都不做。最后,CAS返回当前V的真实值。

 

(4)CAS操作是抱着乐观的态度进行的,它总是认为自己可以成功完成操作。当多个线程同时使用CAS操作一个变量时,只有一个会胜出,并成功更新,其余均会失败。失败的线程不会被挂起,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。基于这样的原理,CAS操作即使没有锁,也可以发现其他线程对当前线程的干扰,并进行恰当的处理。

 

(5)简单地说,CAS需要你额外给出一个期望值,也就是你认为这个变量现在应该是什么样子的。如果变量不是你想象的那样,那说明它已经被别人修改过了。你就重新读取,再次尝试修改就好了。

 

(6)在硬件层面,大部分的现代处理器都已经支持原子化的CAS指令。在JDK 5.0以后,虚拟机便可以使用这个指令来实现并发操作和并发数据结构,并且,这种操作在虚拟机中可以说是无处不在。

 

CAS(乐观锁算法)的基本假设前提

CAS比较与交换的伪代码可以表示为:

do{   
       备份旧数据;  
       基于旧数据构造新数据;  
}while(!CAS( 内存地址,备份的旧数据,新数据 ))  

就是指当两者进行比较时,如果相等,则证明共享数据没有被修改,替换成新值,然后继续往下运行;如果不相等,说明共享数据已经被修改,放弃已经所做的操作,然后重新执行刚才的操作。容易看出 CAS 操作是基于共享数据不会被修改的假设,采用了类似于数据库的 commit-retry 的模式。当同步冲突出现的机会很少时,这种假设能带来较大的性能提升。