原子操作CAS

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CAS

悲观锁

具有强烈的独占和排他特性。在有悲观锁的情况下,对数据进行处理,数据会处于锁定状态。前面讲到的synchronized同一时间只允许一个线程访问某块资源,其他线程处于阻塞状态,就是一个独占锁,是悲观锁中的一种。悲观锁适用于写操作比较多的场景。

乐观锁

对数据有更加宽松的加锁机制,允许多个线程同时访问对某块资源,一般通过版本号机制+CAS来实现。乐观锁适用于读操作比较多的场景。

CAS原理

原子操作CAS,开发语言
CAS目的:保证在同一时间,只有一个线程能够更新值。

CAS基本流程:

  • 读取内存(地址i)中共享变量的值A,作为旧址
  • 业务逻辑处理得到值B
  • 读取相同共享变量(地址i)的值C,作为新值
  • 比较A和C是否相等
  • 相等就修改变量(地址)的值为B
  • 不等就自旋从第一步开始即Retry-Loop实现

在这个过程中,CPU会通过总线锁定机制来保证CAS操作的原子性,即在CAS操作期间,其他线程无法访问被操作的内存地址。由CPU底层硬件保证的。

对于Retry-Loop,感觉其实和锁什么什么两样。只是这种“锁”的粒度变小了,主要是“锁”关键资源,而不是整个数据结构。

自旋锁的实现依赖于CAS(Compare and Swap)操作,这是一种硬件级别的原子操作。

实现

CAS(Compare-and-Swap)通常使用类似cmpxchg指令实现的,cmpxchg(Compare-and-Exchange)指令是一种原子操作的CPU指令。例如

unsigned long cmpxchg(void *addr, unsigned long _old, unsigned long _new)
{
	int *a = addr; //或者用volatile int a;
	if(*a == _old){
		*a = _new;
	}
	return _old;
}

cmpxchg是设置一个新值,返回旧值。返回旧值可以做一些其他的业务操作。

CAS也是设置一个新值,但是可以自定义返回一个bool量。

例如:

bool compare_and_swap (int *addr, int oldval, int newval)
{
  if ( *addr != oldval ) {
      return false;
  }
  *addr = newval;
  return true;
}

volatile

内存中value值通过volatile进行修饰,保证了该属性值的线程可见性。在多并发的情况下,一个线程的修改,可以保证到其他线程立马看到修改后的值。

ABA问题

虽然使用CAS可以实现非阻塞式的原子性操作,但是会产生ABA问题,ABA问题出现的基本流程:

  • 进程P1在共享变量中读到值为A;
  • P1被抢占了,进程P2执行;
  • P2把共享变量里的值从A改成了B,再改回到A,此时被P1抢占;
  • P1回来看到共享变量里的值没有被改变,于是继续执行;

虽然P1以为变量值没有改变,继续执行了,但是这个会引发一些潜在的问题。ABA问题最容易发生在lock free的算法中的,CAS首当其冲,因为CAS判断的是指针的地址。如果这个地址被重用了呢,问题就很大了(地址被重用是很经常发生的,一个内存分配后释放了,再分配,很有可能还是原来的地址)。

ABA问题的解决思路就是使用版本号:在变量前面追加上版本号,每次变量更新的时候把版本号加1,那么A->B->A就会变成1A->2B->3A。文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-533727.html

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