Java并发编程之CAS

发布于 2021-04-07  78 次阅读


CAS(Compare and swap)比较和替换是设计并发算法时用到的一种技术。简单来说,比较和替换是使用一个期望值和一个变量的当前值进行比较,如果当前变量的值与我们期望的值相等,就使用一个新值替换当前变量的值。

拿上图举例,首先AtomicInteger的值是0,线程1读取到的就是0,那么经过incrementAndGet方法操作后值就变成了1,这时候线程1需要更新值,就先拿旧值0进行对比,查看旧值是否相等,如果相等那么意味着没有其他线程去改变原来的值,这时候就可以更新0为1了。

CAS的使用场景

在程序和算法中一个经常出现的模式就是“check and act”模式。先检查后操作模式发生在代码中首先检查一个变量的值,然后再基于这个值做一些操作。下面是一个简单的示例:

class MyLock {

    private boolean locked = false;

    public boolean lock() {
        if(!locked) {
            locked = true;
            return true;
        }
        return false;
    }
}

上面这段代码,如果用在多线程的程序会出现很多错误,不过现在请忘掉它。

如你所见,lock()方法首先检查locked>成员变量是否等于false,如果等于,就将locked设为true。

如果同个线程访问同一个MyLock实例,上面的lock()将不能保证正常工作。如果一个线程检查locked的值,然后将其设置为false,与此同时,一个线程B也在检查locked的值,又或者,在线程A将locked的值设为false之前。因此,线程A和线程B可能都看到locked的值为false,然后两者都基于这个信息做一些操作。

为了在一个多线程程序中良好的工作,”check then act” 操作必须是原子的。原子就是说”check“操作和”act“被当做一个原子代码块执行。不存在多个线程同时执行原子块。

下面是一个代码示例,把之前的lock()方法用synchronized关键字重构成一个原子块。

class MyLock {

    private boolean locked = false;

    public synchronized boolean lock() {
        if(!locked) {
            locked = true;
            return true;
        }
        return false;
    }
}

现在lock()方法是同步的,所以,在某一时刻只能有一个线程在同一个MyLock实例上执行它。

原子的lock方法实际上是一个”compare and swap“的例子。

CAS用作原子操作

现在CPU内部已经执行原子的CAS操作。Java5以来,你可以使用java.util.concurrent.atomic包中的一些原子类来使用CPU中的这些功能。

下面是一个使用AtomicBoolean类实现lock()方法的例子:

public static class MyLock {
    private AtomicBoolean locked = new AtomicBoolean(false);

    public boolean lock() {
        return locked.compareAndSet(false, true);
    }

}

locked变量不再是boolean类型而是AtomicBoolean。这个类中有一个compareAndSet()方法,它使用一个期望值和AtomicBoolean实例的值比较,和两者相等,则使用一个新值替换原来的值。在这个例子中,它比较locked的值和false,如果locked的值为false,则把修改为true。
如果值被替换了,compareAndSet()返回true,否则,返回false。

使用Java5+提供的CAS特性而不是使用自己实现的的好处是Java5+中内置的CAS特性可以让你利用底层的你的程序所运行机器的CPU的CAS特性。这会使还有CAS的代码运行更快。


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