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Java并发之原子变量及CAS算法-下篇

2020-03-15 10:08:15

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Java并发之原子变量及CAS算法-下篇


概述

本文主要讲在Java并发编程的时候,如果保证变量的原子性,在JDK提供的类中是怎么保证变量原子性的呢?。对应Java中的包是:java.util.concurrent.atomic包下。因为涉及到了CAS算法,需要对CAS算法讲解及CAS算法三个问题怎么解决以及和Synchroized比较。文章比较长,所以就分为上下两个篇幅讲解。本文是上篇《Java并发之原子变量及CAS算法-下篇》

本文是《凯哥分享Java并发编程之J.U.C包讲解》系列教程中的第四篇。如果想系统学习,凯哥(kaigejava)建议从第一篇开始看。

在上一篇中,我们讲解了i++在多线程下变量原子性问题以及怎么解决。在本篇中,我们详细讲解什么是CAS算法?CAS和Synchroized区别是什么?以及CAS算法产生的问题及怎么解决。

CAS简介

什么是CAS算法?

CAS:Compare-And-Swap即比较并交换的意思。

CAS包含了三个操作的数据:

主内存中的变量值:V

预估值(可以理解为原来旧的值):A

更新值(操作后,要更新的值):B

CAS的特点:

当且仅当预估值A=内存值V的时候,才会将V的值更新为B。否则也不操作。

V==A;V=B;

使用CAS算法多线程操作的时候,有且仅有一个线程可以操作成功,其他线程都会操作失败。失败的线程并不会被挂起,而是被告知这次竞争中失败,并可以再次尝试。

失败的线程采用自旋来进行尝试的。

我们以AtomicInteger对象中的getAndIncrement()方法为例来看看:

模拟后的源码:

CAS VS Synchroized比较

那么CAS的算法的效率为什么会比Synchronized的效率高呢?

Synchroized是阻塞算法的;而CAS是非阻塞的,采用的是乐观锁技术。

因为阻塞算法是CPU切换的,而CAS是CPU指令操作。CPU切换时间相对于CPU指令操作来说时间更长。所以使用CAS算法的线程比使用Synchroized的效率高。

CAS的优缺点

优点:一种线程同步的解决方案,使用CAS就可以不用加锁来实现线程的安全性。

缺点:

1:只能保证一个共享变量的原子操作;

2:循环时间长,开销很大;

3:会产生ABA问题。

缺点解决方案:

缺点一:

当对一个共享变量操作的时候,可以使用带有自旋(循环)的CAS方法来保证原子性操作,但是如果是多个变量共享的时候,可以封装到对象中或者是使用锁来保证原子性。

缺点二:

如果采用自旋的CAS方式来保证原子性,会一直进行尝试。如果时间太长的话,对CPU来说也会带来很大开销的。

缺点三:ABA问题

何为ABA问题?

如线程A修改共享变量值为A;线程B修改值为B。后来共享变量又被修改成了A,这种情况下CAS算法操作就会误认为共享变量A没有别修改过。这就是CAS算法的“漏洞”。

举个很简单的例子:



解决ABA问题

看到这里大家或许心里会想,我Kao,这不就是一个坑吗?JDK埋下的坑!既然有这个坑,那还敢用吗??淡定,保持淡定点。你能想到的问题,JDK开发者也能想到。所以补救办法就是:

注意:是AtomicStampedReference。虽然和AtomicReference这个类有点像。但是不一样。

查看源码注释:

简单理解,就是这个类添加了一个版本号。,每次操作都对版本号进行自增,那每次CAS不仅要比较value,还要比较stamp,当且仅当两者都相等,才能够进行更新。

具体怎么操作的呢?

在初始化的时候,就定义了pair对象。

在compareAndSet的时候,会对版本号进行比较。如下图:

讲明白了CAS原理之后,我们来修改i++的问题。使其成为保证原子性:

很简单只需要修改两行代码即可:

1:声明变量的时候使用AtomicInteger对象:

private AtomicInteger shardData = new AtomicInteger(0);

new AtomicInteger(0)其中的0可以不用写

2:修改i++的方法:

return shardData.getAndIncrement();

这样就可以了。

总结

Java中保证变量原子性使用的是current.atomic包下的对象来实现的。

如何保证原子性呢?

1:变量都是用volatile关键字修饰后,保证了内存的可见性;

2:使用CAS算法,保证了原子性。

Synchroized VS volatile VS CAS

在上一篇文章中我们知道了Volatile只能保证变量共享变量在内存中的可见性;不互斥;不能保证原子性;

在本篇中,我们知道了CAS是非阻塞的使用乐观锁技术来实现原子性。但是会产生其他问题,不过也可以解决。

Synchroized是阻塞性算法的实现。具有互斥性


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