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漫畫:什麼是 CAS 機制?

來自:程式員小灰(微訊號:chengxuyuanxiaohui)

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示例程式:啟動兩個執行緒,每個執行緒中讓靜態變數count迴圈累加100次。

最終輸出的count結果是什麼呢?一定會是200嗎?



加了同步鎖之後,count自增的操作變成了原子性操作,所以最終的輸出一定是count=200,程式碼實現了執行緒安全。



為什麼這麼說呢?關鍵在於效能問題。


Synchronized關鍵字會讓沒有得到鎖資源的執行緒進入BLOCKED狀態,而後在爭奪到鎖資源後恢復為RUNNABLE狀態,這個過程中涉及到作業系統使用者樣式核心樣式的轉換,代價比較高。


儘管Java1.6為Synchronized做了最佳化,增加了從偏向鎖輕量級鎖再到重量級鎖的過度,但是在最終轉變為重量級鎖之後,效能仍然較低。




所謂原子操作類,指的是java.util.concurrent.atomic包下,一系列以Atomic開頭的包裝類。例如AtomicBooleanAtomicIntegerAtomicLong。它們分別用於Boolean,Integer,Long型別的原子性操作。


現在我們嘗試在程式碼中引入AtomicInteger類:

使用AtomicInteger之後,最終的輸出結果同樣可以保證是200。並且在某些情況下,程式碼的效能會比Synchronized更好



什麼是CAS?

CAS是英文單詞Compare And Swap的縮寫,翻譯過來就是比較並替換。


CAS機制當中使用了3個基本運算元:記憶體地址V,舊的預期值A,要修改的新值B。


更新一個變數的時候,只有當變數的預期值A和記憶體地址V當中的實際值相同時,才會將記憶體地址V對應的值修改為B。


這樣說或許有些抽象,我們來看一個例子:



1.在記憶體地址V當中,儲存著值為10的變數。




2.此時執行緒1想要把變數的值增加1。對執行緒1來說,舊的預期值A=10,要修改的新值B=11。



3.在執行緒1要提交更新之前,另一個執行緒2搶先一步,把記憶體地址V中的變數值率先更新成了11。



4.執行緒1開始提交更新,首先進行A和地址V的實際值比較(Compare),發現A不等於V的實際值,提交失敗。



5.執行緒1重新獲取記憶體地址V的當前值,並重新計算想要修改的新值。此時對執行緒1來說,A=11,B=12。這個重新嘗試的過程被稱為自旋



6.這一次比較幸運,沒有其他執行緒改變地址V的值。執行緒1進行Compare,發現A和地址V的實際值是相等的。



7.執行緒1進行SWAP,把地址V的值替換為B,也就是12。



從思想上來說,Synchronized屬於悲觀鎖,悲觀地認為程式中的併發情況嚴重,所以嚴防死守。CAS屬於樂觀鎖,樂觀地認為程式中的併發情況不那麼嚴重,所以讓執行緒不斷去嘗試更新。



CAS的缺點:


1.CPU開銷較大

在併發量比較高的情況下,如果許多執行緒反覆嘗試更新某一個變數,卻又一直更新不成功,迴圈往複,會給CPU帶來很大的壓力。


2.不能保證程式碼塊的原子性

CAS機制所保證的只是一個變數的原子性操作,而不能保證整個程式碼塊的原子性。比如需要保證3個變數共同進行原子性的更新,就不得不使用Synchronized了。


3.ABA問題

這是CAS機制最大的問題所在。

什麼是ABA問題?怎麼解決?我們下一期來詳細介紹。



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