对CAS机制的理解(一)
先看一段代码:启动两个线程,每个线程中让静态变量count循环累加100次。
public class CountTest {
public static int count = 0; public static void main(String[] args) {
//开启两个线程
for(int i = 0; i < 2; i++){
new Thread(
new Runnable(){
public void run(){
try{
Thread.sleep(10);
}
catch(InterruptedException e){
e.printStackTrace();
}
//每个线程中让count自增100次
for(int j = 0; j < 100; j++){
count++;
}
}
}).start();
}
try{
Thread.sleep(2000);
}
catch(InterruptedException e){
e.printStackTrace();
}
System.out.println("count=" + count);
} }
几次不同的运行结果:
因为这段代码不是线程安全,所以最终的自增结果很可能会小于200.
方法一:加上synchronized同步锁
public class CountTest {
public static int count = 0; public static void main(String[] args) {
//开启两个线程
for(int i = 0; i < 2; i++){
new Thread(
new Runnable(){
public void run(){
try{
Thread.sleep(10);
}
catch(InterruptedException e){
e.printStackTrace();
}
//每个线程中让count自增100次
for(int j = 0; j < 100; j++){
synchronized(CountTest.class){
count++;
}
}
}
}).start();
}
try{
Thread.sleep(2000);
}
catch(InterruptedException e){
e.printStackTrace();
}
System.out.println("count=" + count);
}
}
(通过使用"类名.class"这个方式返回一个Class类型的对象,即获取一个类的“类对象”)
加了同步锁之后,count自增的操作变成了原子性操作,所以最终的输出一定是count=200,代码实现了线程安全。
synchronized虽然保证了线程安全,但在某些情况下,却不是一个最优选择。其关键在于性能问题。
synchronized取得的锁都是对象锁,而不是把一段代码或方法当做锁。因此在多线程访问同一个对象时,哪个线程先执行synchronized关键字的方法,哪个线程就持有该方法所属对象的锁lock,其他线程只能呈等待状态。
Synchronized关键字会让没有得到锁资源的线程进入BLOCKED状态,而后在争夺到锁资源后恢复为RUNNABLE状态,这个过程中涉及到操作系统用户模式和内核模式的转换,代价比较高。
尽管Java1.6为Synchronized做了优化,增加了从偏向锁到轻量级锁再到重量级锁的过度,但是在最终转变为重量级锁之后,性能仍然较低。
方法二:使用原子操作类
所谓原子操作类,指的是java.util.concurrent.atomic包下,一系列以Atomic开头的包装类。例如AtomicBoolean,AtomicInteger,AtomicLong。它们分别用于Boolean,Integer,Long类型的原子性操作。
在代码中引入AtomicInteger类:
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger; public class CountTest {
public static AtomicInteger count = new AtomicInteger(0); public static void main(String[] args) {
//开启两个线程
for(int i = 0; i < 2; i++){
new Thread(
new Runnable(){
public void run(){
try{
Thread.sleep(10);
}
catch(InterruptedException e){
e.printStackTrace();
}
//每个线程中让count自增100次
for(int j = 0; j < 100; j++){
count.incrementAndGet();
}
}
}).start();
}
try{
Thread.sleep(2000);
}
catch(InterruptedException e){
e.printStackTrace();
}
System.out.println("count=" + count);
}
}
使用AtomicInteger之后,最终的输出结果同样可以保证是200。并且在某些情况下,代码的性能会比Synchronized更好。
Atomic操作类的底层实现:Atomic操作类的底层实现用到的正是CAS机制。
什么是CAS?
CAS是英文单词Compare And Swap的缩写,翻译过来就是比较并替换。
CAS机制当中使用了3个基本操作数:内存地址V,旧的预期值A,要修改的新值B。
更新一个变量的时候,只有当变量的预期值A和内存地址V当中的实际值相同时,才会将内存地址V对应的值修改为B。
举个栗子:
1.在内存地址V当中,存储着值为10的变量。
2.此时线程1想要把变量的值增加1。对线程1来说,旧的预期值A=10,要修改的新值B=11。
3.在线程1要提交更新之前,另一个线程2抢先一步,把内存地址V中的变量值率先更新成了11。
4.线程1开始提交更新,首先进行A和地址V的实际值比较(Compare),发现A不等于V的实际值,提交失败。
5.线程1重新获取内存地址V的当前值,并重新计算想要修改的新值。此时对线程1来说,A=11,B=12。这个重新尝试的过程被称为自旋。
6.这一次比较幸运,没有其他线程改变地址V的值。线程1进行Compare,发现A和地址V的实际值是相等的。
7.线程1进行SWAP,把地址V的值替换为B,也就是12。
从思想上来说,Synchronized属于悲观锁,悲观地认为程序中的并发情况严重,所以严防死守。CAS属于乐观锁,乐观地认为程序中的并发情况不那么严重,所以让线程不断去尝试更新。
CAS和Synchronized没有绝对的好与坏,关键看使用场景。在并发量非常高的情况下,反而用同步锁更合适一些。
CAS的应用:
1. Atomic系列类,以及Lock系列类的底层实现
2. 在Java1.6以上的版本,Synchronized转变为重量级锁之前,也会采用CAS机制。
CAS的缺点:
1.CPU开销较大
在并发量比较高的情况下,如果许多线程反复尝试更新某一个变量,却又一直更新不成功,循环往复,会给CPU带来很大的压力。
2.不能保证代码块的原子性
CAS机制所保证的只是一个变量的原子性操作,而不能保证整个代码块的原子性。比如需要保证3个变量共同进行原子性的更新,就不得不使用Synchronized了。
3.ABA问题
这是CAS机制最大的问题所在。这里在下一篇说明。
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