Java併發/多執行緒-CAS原理分析

阿墩發表於2021-01-19
Java執行緒

目錄

什麼是CAS

CAS 即 compare and swap，比較並交換。

CAS是一種原子操作，同時 CAS 使用樂觀鎖機制。

J.U.C中的很多功能都是建立在 CAS 之上，各種原子類，其底層都用 CAS來實現原子操作。用來解決併發時的安全問題。

併發安全問題

舉一個典型的例子i++

public class AddTest {
  public volatile int i;
  public void add() {
    i++;
  }
}

通過javap -c AddTest可以看到add 方法的位元組碼指令：

public void add();
    Code:
       0: aload_0
       1: dup
       2: getfield      #2                  // Field i:I
       5: iconst_1
       6: iadd
       7: putfield      #2                  // Field i:I
      10: return

i++被拆分成了多個指令：

  1. 執行getfield拿到原始記憶體值；
  2. 執行iadd進行加 1 操作；
  3. 執行putfield寫把累加後的值寫回記憶體。

假設一種情況：

  • 當執行緒 1 執行到iadd時，由於還沒有執行putfield，這時候並不會重新整理主記憶體區中的值。
  • 此時執行緒 2 進入開始執行，剛剛將主記憶體區的值拷貝到私有記憶體區。
  • 執行緒 1正好執行putfield，更新主記憶體區的值，那麼此時執行緒 2 的副本就是舊的了。錯誤就出現了。

如何解決？

最簡單的，在 add 方法加上 synchronized 。

public class AddTest {
  public volatile int i;
  public synchronized void add() {
    i++;
  }
}

雖然簡單，並且解決了問題，但是效能表現並不好。

最優的解法應該是使用JDK自帶的CAS方案，如上例子，使用AtomicInteger類

public class AddIntTest {
  public AtomicInteger i;
  public void add() {
    i.getAndIncrement();
  }
}

底層原理

CAS 的原理並不複雜：

  • 三個引數，一個當前記憶體值 V、預期值 A、更新值 B
  • 當且僅當預期值 A 和記憶體值 V 相同時，將記憶體值修改為 B 並返回 true
  • 否則什麼都不做，並返回 false

拿 AtomicInteger 類分析，先來看看原始碼：

我這裡的環境是Java11，如果是Java8這裡一些內部的一些命名有些許不同。

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 6214790243416807050L;

    /*
     * This class intended to be implemented using VarHandles, but there
     * are unresolved cyclic startup dependencies.
     */
    private static final jdk.internal.misc.Unsafe U = jdk.internal.misc.Unsafe.getUnsafe();
    private static final long VALUE = U.objectFieldOffset(AtomicInteger.class, "value");

    private volatile int value;
  
		//...
}

Unsafe 類，該類對一般開發而言，少有用到。

Unsafe 類底層是用 C/C++ 實現的，所以它的方式都是被 native 關鍵字修飾過的。

它可以提供硬體級別的原子操作，如獲取某個屬性在記憶體中的位置、修改物件的欄位值。

關鍵點：

  • AtomicInteger 類儲存的值在 value 欄位中，而value欄位被volatile

  • 在靜態程式碼塊中，並且獲取了 Unsafe 例項，獲取了 value 欄位在記憶體中的偏移量 VALUE

接下回到剛剛的例子：

如上，getAndIncrement() 方法底層利用 CAS 技術保證了併發安全。

public final int getAndIncrement() {
  return U.getAndAddInt(this, VALUE, 1);
}

getAndAddInt() 方法：

public final int getAndAddInt(Object o, long offset, int delta) {
  int v;
  do {
    v = getIntVolatile(o, offset);
  } while (!weakCompareAndSetInt(o, offset, v, v + delta));
  return v;
}

v 通過 getIntVolatile(o, offset)方法獲取，其目的是獲取 o 在 offset 偏移量的值，其中 o 就是 AtomicInteger 類儲存的值，即value， offset 記憶體偏移量的值，即 VALUE。

重點，weakCompareAndSetInt 就是實現 CAS 的核心方法

  • 如果 o 和 v相等，就證明沒有其他執行緒改變過這個變數，那麼就把 v 值更新為 v + delta，其中 delta 是更新的增量值。
  • 反之 CAS 就一直採用自旋的方式繼續進行操作，這一步也是一個原子操作。

分析：

  • 設定 AtomicInteger 的原始值為 A，執行緒 1 和執行緒 2 各自持有一份副本，值都是 A。
  1. 執行緒 1 通過getIntVolatile(o, offset)拿到 value 值 A，這時執行緒 1 被掛起。
  2. 執行緒 2 也通過getIntVolatile(o, offset)方法獲取到 value 值 A，並執行weakCompareAndSetInt方法比較記憶體值也為 A，成功修改記憶體值為 B。
  3. 這時執行緒 1 恢復執行weakCompareAndSetInt方法比較，發現自己手裡的值 A 和記憶體的值 B 不一致，說明該值已經被其它執行緒提前修改過了。
  4. 執行緒 1 重新執行getIntVolatile(o, offset)再次獲取 value 值，因為變數 value 被 volatile 修飾，具有可見性，執行緒A繼續執行weakCompareAndSetInt進行比較替換，直到成功

CAS需要注意的問題

使用限制

CAS是由CPU支援的原子操作，其原子性是在硬體層面進行保證的，在Java中普通使用者無法直接使用，只能藉助atomic包下的原子類使用，靈活性受限。

但是CAS只能保證單個變數操作的原子性，當涉及到多個變數時，CAS無能為力。

原子性也不一定能保證執行緒安全，如在Java中需要與volatile配合來保證執行緒安全。

ABA 問題

概念

CAS 有一個問題，舉例子如下：

  • 執行緒 1 從記憶體位置 V 取出 A
  • 這時候執行緒 2 也從記憶體位置 V 取出 A
  • 此時執行緒 1 處於掛起狀態，執行緒 2 將位置 V 的值改成 B，最後再改成 A
  • 這時候執行緒 1 再執行，發現位置 V 的值沒有變化，符合期望繼續執行。

此時雖然執行緒 1還是成功了，但是這並不符合我們真實的期望，等於執行緒 2狸貓換太子把執行緒 1耍了。

這就是所謂的ABA問題

解決方案

引入原子引用，帶版本號的原子操作。

把我們的每一次操作都帶上一個版本號，這樣就可以避免ABA問題的發生。既樂觀鎖的思想。

  • 記憶體中的值每發生一次變化，版本號都更新。

  • 在進行CAS操作時，比較記憶體中的值的同時，也會比較版本號，只有當二者都沒有變化時，才能執行成功。

  • Java中的AtomicStampedReference類便是使用版本號來解決ABA問題的。

高競爭下的開銷問題

  • 在併發衝突概率大的高競爭環境下，如果CAS一直失敗，會一直重試，CPU開銷較大。

  • 針對這個問題的一個思路是引入退出機制，如重試次數超過一定閾值後失敗退出。

  • 更重要的是避免在高競爭環境下使用樂觀鎖。

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