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细谈CAS与ABA

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Spark学习技巧
发布2018-04-17 16:06:45
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发布2018-04-17 16:06:45
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题目:如何实现乐观锁(CAS),如何避免ABA问题?

本文阅读大概需要15分钟。

这个题主要考查原子操作、悲观锁、乐观锁及ABA问题。

原子操作

原子在化学中,有基本粒子,不可再分之意(现在早已不是不可再分),计算机科学因此引入了原子操作这一名词,用来指代某一或一系列计算机操作具有原子性。原子操作是不可分割的,在执行完毕之前不会被任何其它任务或事件中断。例如在计算机底层的汇编指令,每条指令都是原子操作,每条指令只有执行完成与未执行两个状态,不存在执行一半的情况。在软件开发体系中原子操作也比比皆是,如数据库操作中的事务就是原子操作,事物的执行只有两个状态,执行成功或执行失败,不会存在执行了一半成功一半失败的情况,事务中某一操作的执行失败,都会触发回滚操作,将当前状态恢复到事物执行前状态。如果用有限状态机来描述原子操作,那就是原子操作只会在原态与执行成功两个状态之间来回转换,不存在其他状态(也不会产生其他状态)。原子操作有限状态机如下图所示。

独占锁(悲观锁)与乐观锁

在多线程编程的时候,为了保证多个线程对一个对象可以安全进行访问时,我们需要加同步锁synchronized,保证对象的在使用时的正确性,synchronized就是一种独占锁,它会导致所有需要此锁的线程挂起,等待锁的释放。

加锁会导致一下问题:

  1. 加多线程竞争下,加锁和释放锁会导致较多的上下文切换,引起性能问题。
  2. 多线程可以导致死锁的问题。
  3. 多线程持有的锁会导致其他需要此锁的线程挂起。

乐观锁(CAS)的思想却是不加锁,那不加锁如何确保某一变量的操作没有被其他线程修改过?

这里就需要CAS操作(CompareAndSwap)来实现。

CAS有三个操作参数:内存地址,期望值,要修改的新值,当期望值和内存当中的值进行比较不相等的时候,表示内存中的值已经被别线程改动过,这时候失败返回,只有相等时,才会将内存中的值改为新的值,并返回成功。

在JVM中的CAS操作就是基于处理器的CMPXCHG汇编指令实现的,因此,JVM中的CAS的原子性是处理器保障的。

这里我们可以看一下JAVA的原子类AtomicLong.getAndIncrement()的实现,来理解一下CAS这一乐观锁(JDK 1.8)。

public final long getAndIncrement() {

return unsafe.getAndAddLong(this, valueOffset, 1L);

}

接着看一下 Unsafe.getAndAddLong()的实现:

public final long getAndAddLong(Object var1, long var2, long var4) {

long var6;

do {

var6 = this.getLongVolatile(var1, var2);

} while(!this.compareAndSwapLong(var1, var2, var6, var6 + var4));

return var6;

}

这里我们可以看到AtomicLong.getAndIncrement()的实现就是通过CAS循环操作的实现,只有期望值与真实值相同情况下,CAS操作才会成功执行,退出循环,如果失败则继续自旋,直到成功。

ABA问题

ABA问题是指在CAS操作时,其他线程将变量值A改为了B,但是又被改回了A,等到本线程使用期望值A与当前变量进行比较时,发现变量A没有变,于是CAS就将A值进行了交换操作,但是实际上该值已经被其他线程改变过,这与乐观锁的设计思想不符合。ABA问题的解决思路是,每次变量更新的时候把变量的版本号加1,那么A-B-A就会变成A1-B2-A3,只要变量被某一线程修改过,改变量对应的版本号就会发生递增变化,从而解决了ABA问题。在JDK的java.util.concurrent.atomic包中提供了AtomicStampedReference来解决ABA问题,该类的compareAndSet是该类的核心方法,实现如下:

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)));

}

我们可以发现,该类检查了当前引用与当前标志是否与预期相同,如果全部相等,才会以原子方式将该引用和该标志的值设为新的更新值,这样CAS操作中的比较就不依赖于变量的值了。

记住,这里全部都是干货!!!

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原始发表:2018-04-09,如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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