CAS 算法与 Java 原子类

时间:2022-11-13 16:47:41

乐观锁

一般而言,在并发情况下我们必须通过一定的手段来保证数据的准确性,如果没有做好并发控制,就可能导致脏读、幻读和不可重复度等一系列问题。乐观锁是人们为了应付并发问题而提出的一种思想,具体的实现则有多种方式。

乐观锁假设数据一般情况下不会造成冲突,只在数据进行提交更新时,才会正式对数据的冲突与否进行检测,如果发现冲突了,则返回给用户错误的信息,让用户决定如何去做。乐观锁适用于读操作多的场景,可以提高程序的吞吐量。

CAS

CAS(Compare And Swap)比较并交换,是一种实现了乐观锁思想的并发控制技术。CAS 算法的过程是:它包含 3 个参数 CAS(V,E,N),V 表示要更新的变量(内存值),E 表示旧的预期值,N 表示即将更新的预期值。当且仅当 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,说明已经有其他线程做了更新,则当前线程什么也不做,并返回当前 V 的真实值。整个操作是原子性的。

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,并允许再次尝试,当然也可以放弃本次操作,所以 CAS 算法是非阻塞的。基于上述原理,CAS 操作可以在不借助锁的情况下实现合适的并发处理。

ABA 问题

ABA 问题是 CAS 算法的一个漏洞。CAS 算法实现的一个重要前提是:取出内存中某时刻的数据,并在下一时刻比较并替换,在这个时间差内可能会导致数据的变化。

假设有两个线程,分别要对内存中某一变量做 CAS 操作,线程一先从内存中取出值 A,线程二也从内存中取出值 A,并把值从 A 变为 B 写回,然后又把值从 B 变为 A 写回,这时候线程一进行 CAS 操作,发现内存中的值还是 A,于是认为和预期值一致,操作成功。尽管线程一的 CAS 操作成功,但并不代表这个过程就没有问题。

ABA 问题会带来什么隐患呢?*给出了详细的示例:假设现有一个用单链表实现的堆栈,栈顶为 A,A.next = B,现有线程一希望用 CAS 把栈顶替换为 B,但在此之前,线程二介入,将 A、B 出栈,再压入 D、C、A,整个过程如下

CAS 算法与 Java 原子类

此时 B 处于游离转态,轮到线程一执行 CAS 操作,发现栈顶仍为 A,CAS 成功,栈顶变为 B,但实际上 B.next = null,即堆栈中只有 B 一个元素,C 和 D 并不在堆栈中,平白无故就丢了。简单来说,ABA 问题使我们漏掉某一段时间的数据监控,谁知道在这段时间内会发生什么有趣(可怕)的事呢?

可以通过版本号的方式来解决 ABA 问题,每次执行数据修改操作时,都会带上一个版本号,如果版本号和数据的版本一致,对数据进行修改操作并对版本号 +1,否则执行失败。因为每次操作的版本号都会随之增加,所以不用担心出现 ABA 问题。

使用 Java 模拟 CAS 算法

这仅仅是基于 Java 层面上的模拟,真正的实现要涉及到底层(我学不会)

public class TestCompareAndSwap {

    private static CompareAndSwap cas = new CompareAndSwap();

    public static void main(String[] args) {

        for (int i = 0; i < 10; i++) {
new Thread(new Runnable() {
public void run() {
// 获取预估值
int expectedValue = cas.get();
boolean b = cas.compareAndSet(expectedValue, (int) (Math.random() * 101));
System.out.println(b);
}
});
}
}
} class CompareAndSwap { private int value; // 获取内存值
public synchronized int get() {
return value;
} // 比较
public synchronized int compareAndSwap(int expectedValue, int newValue) {
// 读取内存值
int oldValue = value;
// 比较
if (oldValue == expectedValue) {
this.value = newValue;
}
return oldValue;
} // 设置
public synchronized boolean compareAndSet(int expectedValue, int newValue) {
return expectedValue == compareAndSwap(expectedValue, newValue);
}
}

原子类

原子包 java.util.concurrent.atomic 提供了一组原子类,原子类的操作具有原子性,一旦开始,就一直运行直到结束,中间不会有任何线程上下文切换。原子类的底层正是基于 CAS 算法实现线程安全。

Java 为我们提供了十六个原子类,可以大致分为以下四种:

1. 基本类型

  • AtomicBoolean

    原子更新布尔类型,内部使用 int 类型的 value 存储 1 和 0 表示 true 和 false,底层也是对 int 类型的原子操作

  • AtomicInteger

    原子更新 int 类型

  • AtomicLong

    原子更新 long 类型

2. 引用类型

  • AtomicReference

    原子更新引用类型,通过泛型指定要操作的类

  • AtomicMarkableReference

    原子更新引用类型,内部维护一个 Pair 类型(静态内部类)的成员属性,其中有一个 boolean 类型的标志位,避免 ABA 问题

    private static class Pair<T> {
    final T reference;
    final boolean mark;
    private Pair(T reference, boolean mark) {
    this.reference = reference;
    this.mark = mark;
    }
    static <T> Pair<T> of(T reference, boolean mark) {
    return new Pair<T>(reference, mark);
    }
    } private volatile Pair<V> pair;
  • AtomicStampedReference

    原子更新引用类型,内部维护一个 Pair 类型(静态内部类)的成员属性,其中有一个 int 类型的邮戳(版本号),避免 ABA 问题

    private static class Pair<T> {
    final T reference;
    final int stamp;
    private Pair(T reference, int stamp) {
    this.reference = reference;
    this.stamp = stamp;
    }
    static <T> Pair<T> of(T reference, int stamp) {
    return new Pair<T>(reference, stamp);
    }
    } private volatile Pair<V> pair;

3. 数组类型

  • AtomicIntegerArray

    原子更新 int 数组中的元素

  • AtomicLongArray

    原子更新 long 数组中的元素

  • AtomicReferenceArray

    原子更新 Object 数组中的元素

4. 对象属性类型

用于解决对象的属性的原子操作

  • AtomicIntegerFieldUpdater

    原子更新对象中的 int 类型字段

  • AtomicLongFieldUpdater

    原子更新对象中的 long 类型字段

  • AtomicReferenceFieldUpdater

    原子更新对象中的引用类型字段

之前提到的三种类型的使用都比较简单,查阅对应 API 即可,而对象属性类型则有一些限制:

  • 字段必须是 volatile 类型的,在线程之间共享变量时保证立即可见
  • 只能是实例变量,不能是类变量,也就是说不能加 static 关键字
  • 只能是可修改变量,不能使用 final 变量
  • 该对象字段能够被直接操作,因为它是基于反射实现的

5. 高性能原子类

Java8 新增的原子类,使用分段的思想,把不同的线程 hash 到不同的段上去更新,最后再把这些段的值相加得到最终的值。以下四个类都继承自 Striped64,对并发的优化在 Striped64 中实现

CAS 算法与 Java 原子类

  • LongAccumulator

    long 类型的聚合器,需要传入一个 long 类型的二元操作,可以用来计算各种聚合操作,包括加乘等

  • LongAdder

    long 类型的累加器,LongAccumulator 的特例,只能用来计算加法,且从 0 开始计算

  • DoubleAccumulator

    double 类型的聚合器,需要传入一个 double 类型的二元操作,可以用来计算各种聚合操作,包括加乘等

  • DoubleAdder

    double 类型的累加器,DoubleAccumulator 的特例,只能用来计算加法,且从 0 开始计算