🌈🌈🌈今天给大家分享的是 CAS 问题。
清风的CSDN博客
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目录
一、什么是CAS
1.1 CAS 伪代码
1.2 CAS是怎么实现的
二、CAS有哪些应用
2.1 实现原子类
2.2 实现自旋锁
三、CAS 的 ABA 问题
3.1 什么是ABA问题
3.2 ABA问题引来的BUG
3.3 ABA问题的解决方案
一、什么是CAS
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。
- 比较 A 与 V 是否相等。（比较）
- 如果比较相等，将 B 写入 V。（交换）
- 返回操作是否成功。
1.1 CAS 伪代码
下面写的代码不是原子的, 真实的 CAS 是一个原子的硬件指令完成的。这个伪代码只是辅助理解CAS 的工作流程。
boolean CAS(address, expectValue, swapValue) {
if (&address == expectedValue) {
&address = swapValue;
return true;
}
return false;
}CAS 可以视为是一种乐观锁。(或者可以理解成 CAS 是乐观锁的一种实现方式)
1.2 CAS是怎么实现的
- 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。
二、CAS有哪些应用
2.1 实现原子类
AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);
// 相当于 i++
atomicInteger.getAndIncrement();伪代码实现：
class AtomicInteger {
private int value;
public int getAndIncrement() {
int oldValue = value;
while ( CAS(value, oldValue, oldValue+1) != true) {
oldValue = value;
}
return oldValue;
}
}
② 线程1 先执行 CAS 操作，由于 oldValue 和 value 的值相同, 直接进行对 value 赋值。
注意:
- CAS 是直接读写内存的, 而不是操作寄存器
- CAS 的读内存、 比较、 写内存操作是一条硬件指令, 是原子的
③ 线程2 再执行 CAS 操作, 第一次 CAS 的时候发现 oldValue 和 value 不相等, 不能进行赋值，因此需要进入循环，在循环里重新读取 value 的值赋给 oldValue
④ 线程2 接下来第二次执行 CAS, 此时 oldValue 和 value 相同, 于是直接执行赋值操作
⑤ 线程1 和 线程2 返回各自的 oldValue 的值即可。
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。
2.2 实现自旋锁
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;
}
}三、CAS 的 ABA 问题
3.1 什么是ABA问题
- 先读取 num 的值, 记录到 oldNum 变量中
- 使用 CAS 判定当前 num 的值是否为 A, 如果为 A, 就修改成 Z
但是, 在 t1 执行这两个操作之间, t2 线程可能把 num 的值从 A 改成了 B, 又从 B 改成了 A。
线程 t1 的 CAS 是期望 num 不变就修改， 但是 num 的值已经被 t2 给改了， 只不过又改成 A 了，这个时候 t1 究竟是否要更新 num 的值为 Z 呢?
到这一步, t1 线程无法区分当前这个变量始终是 A, 还是经历了一个变化过程：
这就好比, 我们买一个手机, 无法判定这个手机是刚出厂的新手机, 还是别人用旧了, 又翻新过的手机。
3.2 ABA问题引来的BUG
假设滑稽老哥有 100 存款， 滑稽想从 ATM 取 50 块钱。取款机创建了两个线程, 并发的来执行 -50 操作，我们期望一个线程执行 -50 成功, 另一个线程 -50 失败。正常的过程
- 存款 100，线程1 获取到当前存款值为 100, 期望更新为 50; 线程2 获取到当前存款值为 100, 期望更新为 50。
- 线程1 执行扣款成功, 存款被改成 50，线程2 阻塞等待中。
- 轮到线程2 执行了, 发现当前存款为 50, 和之前读到的 100 不相同, 执行失败。
异常的过程
- 存款 100. 线程1 获取到当前存款值为 100, 期望更新为 50; 线程2 获取到当前存款值为 100, 期望更新为 50
- 线程1 执行扣款成功, 存款被改成 50，线程2 阻塞等待中
- 在线程2 执行之前, 滑稽的朋友正好给滑稽转账 50, 账户余额变成 100
- 轮到线程2 执行了, 发现当前存款为 100, 和之前读到的 100 相同, 再次执行扣款操作
这个时候, 扣款操作被执行了两次!!! 都是 ABA 问题搞的鬼!!
3.3 ABA问题的解决方案
- 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)。
这就好比, 判定这个手机是否是翻新机, 那么就需要收集每个手机的数据, 第一次挂在电商网站上的手机记为版本1, 以后每次这个手机出现在电商网站上, 就把版本号进行递增，这样如果买家不在意这是翻新机, 就买，如果买家在意, 就可以直接略过。
对比理解上面的转账例子：
假设 滑稽老哥 有 100 存款，滑稽想从 ATM 取 50 块钱，取款机创建了两个线程, 并发的来执行 -50 操作。我们期望一个线程执行 -50 成功, 另一个线程 -50 失败。为了解决 ABA 问题, 给余额搭配一个版本号, 初始设为 1。
- 存款 100。 线程1 获取到 存款值为 100, 版本号为 1, 期望更新为 50; 线程2 获取到存款值为 100, 版本号为 1, 期望更新为 50。
- 线程1 执行扣款成功, 存款被改成 50, 版本号改为2，线程2 阻塞等待中。
- 在线程2 执行之前, 滑稽的朋友正好给滑稽转账 50, 账户余额变成 100, 版本号变成3。
- 轮到线程2 执行了, 发现当前存款为 100, 和之前读到的 100 相同, 但是当前版本号为 3, 之前读到的版本号为 1, 版本小于当前版本, 认为操作失败。
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