多线程CAS机制（图解）

文章目录

• 前言
• 一、CAS是什么？
• 二、CAS如何实现的？
• 三、CAS的应用
  • 3.1 原子类
  • 3.2 自旋锁
• 四、CAS引发的ABA问题
  • 4.1 什么是ABA问题
  • 4.2 如何解决
• 总结

前言

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上篇总结了以下多线程场景下常见锁的策略，这篇总结一下CAS机制引起的ABA问题，以及解决方式。

一、CAS是什么？

乐观锁的一种实现，程序并不会阻塞，只会不断重试。

CAS: 全称Compare and swap，字面意思:”比较并交换“，一个 CAS 涉及到以下操作： 我们假设内存中的原数据V，旧的预期值A，需要修改的新值B。

1. 比较 A 与 V 是否相等。（比较）
2. 如果比较相等，将 B 写入 V。（交换）
3. 返回操作是否成功。

二、CAS如何实现的？

针对不同的操作系统，JVM 用到了不同的 CAS 实现原理，简单来讲：

• java 的 CAS 利用的的是 unsafe 这个类提供的 CAS 操作；
• unsafe 的 CAS 依赖了的是 jvm 针对不同的操作系统实现的 Atomic::cmpxchg；
• Atomic::cmpxchg 的实现使用了汇编的 CAS 操作，并使用 cpu 硬件提供的 lock 机制保证其原子 性。 简而言之，是因为硬件予以了支持，软件层面才能做到。

三、CAS的应用

3.1 原子类

标准库提供了 java.util.concurrent 包（juc包，并发工具包，包含原子类，线程安全集合比如ConcurrentHashMap，CopyOnWriteArrayList等等）

举个栗子：

比如定义一个整型变量int i = 0：

i++ 或者 i – 这些都是非原子性的操作，多线程并发会有线程安全问题。这个时候就要使用原子类保证它的线程安全性。

那什么是原子性呢？

就是指该操作对应CPU的一条指令，这个操作不会被中断，要么全部执行，要么全不执行，不会存在中间状态，那么这种操作就是一个原子性操作。

比如int a = 10 这种就是直接将常量10赋值给a变量，是一个原子性操作，要么赋值成功要么失败。

再比如a += 10 这种就是非原子性的操作，先要读取当前a变量的值，然后到寄存器中进行a+10计算，最后将计算得出的值重新赋值给a变量（对应了三个原子性操作）

所以我们可以使用原子类来保证线程安全性，比如常见的AtomicInteger类：

//有参构造可以传入参数，传入多少就从多少开始计数，无参构造默认为0.
AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0); 
// 相当于 i++
atomicInteger.getAndIncrement();

看下源码：

通过形如上述代码就可以实现一个原子类. 不需要使用重量级锁, 就可以高效的完成多线程的自增操作.

3.2 自旋锁

使用CAS来实现自旋锁，乐观锁的一种实现

自旋锁指的是在获取锁失败的线程不进入阻塞态，而是在CPU上空转（线程不让出CPU，而是跑一些无用指令），不断查询当前锁的状态。

伪代码：

public class SpinLock {
    private Thread owner = null;
    public void lock(){
        // 通过 CAS 看当前锁是否被某个线程持有. 
        // 如果这个锁已经被别的线程持有, 那么就自旋等待. 
        // 如果这个锁没有被别的线程持有, 那么就把 owner 设为当前尝试加锁的线程. 
        while(!CAS(this.owner, null, Thread.currentThread())){
       }
   }
    public void unlock (){
        this.owner = null;
   }
}

解释一下CAS(this.owner, null, Thread.currentThread())操作：

只有当this.owner == null , 即当前自旋锁没有被任何线程持有 =>

就尝试将this.owner ==Thread.currentThread() ,将持有锁的线程设置为当前线程

四、CAS引发的ABA问题

4.1 什么是ABA问题

有两个线程t1和t2，同时修改共享变量num，初始num == A

正常情况下，只有一个线程会将num 改为正确值，另一个线程在修改时num ！= A，另一个线程的工作内存的值已经过期了，因此无法修改

但如果线程 t2 经过多次修改后又回到了同一个值，此时线程 t1 会以为线程 t2 没被修改过，然后就去修改值 . 此时t2之间做的各种修改 其实对 t1来说都是不可见的 。

下面是ABA问题的图解：

4.2 如何解决

为了解决ABA问题，就要引入版本号机制。

给要修改的值, 引入版本号. 在 CAS 比较数据当前值和旧值的同时, 也要比较版本号是否符合预期.

• CAS 操作在读取旧值的同时, 也要读取版本号.
• 真正修改的时候, 如果当前版本号和读到的版本号相同, 则修改数据, 并把版本号 + 1. 如果当前版本号高于读到的版本号. 就操作失败(认为数据已经被修改过了).

详情可以看下面这个链接：

版本号机制

总结

以上就是多线程CAS机制的详解了，后续博主会更新Synchronized 原理 和JUC的常见类及用法