什么是cas

作者: yanghx | 来源:发表于2021-01-11 14:16 被阅读0次

什么是cas

本篇文章是类似笔记的形式。文笔写不好，而且会大量摘抄别人的文章。

参考视频 https://www.bilibili.com/video/BV1kE411u7bj

定义

CAS操作包含三个操作数————内存位置（V）、期望值（A）和新值（B）。如果内存位置的值与期望值匹配，那么处理器会自动将该位置值更新为新值。否则处理器不作任何操作。无论哪种情况，它都会在CAS指令之前返回该位置的值。（CAS在一些特殊情况下仅返回CAS是否成功，而不提取当前值）CAS有效的说明了“我认为位置V应该包含值A；如果包含该值，则将B放到这个位置；否则，不要更改该位置的值，只告诉我这个位置现在的值即可。

方法说明

unsafe: 不安全的。封装了很多本地方法，采用jni调用。compareAndSwapxxx系列的方法就是借助“C语言”来调用cpu底层指令实现的。以常用的Intel x86平台来说，最终映射到的cpu的指令为“cmpxchg”，这是一个原子指令，cpu执行此命令时，实现比较并替换的操作！

java中提供了对CAS操作的支持，具体在sun.misc.unsafe类中，声明如下：

  public final native boolean compareAndSwapObject(Object var1, long var2, Object var4, Object var5);
  public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);
  public final native boolean compareAndSwapLong(Object var1, long var2, long var4, long var6);

  参数var1：表示要操作的对象
  参数var2：表示要操作对象中属性地址的偏移量
  参数var4：表示需要修改数据的期望的值
  参数var5：表示需要修改为的新值

QA

现代计算机动不动就上百核心，cmpxchg怎么保证多核心下的线程安全？

系统底层进行CAS操作的时候，会判断当前系统是否为多核心系统，如果是
就给“总线”加锁，只有一个线程会对总线加锁成功，加锁成功之后会执行CAS操作，
也就是说CAS的原子性是平台级别的！

什么是ABA问题？

需要在操作值的时候检查下值有没有发生变化，如果没有发生变化则更新，但是如果一个值原来是A，在CAS方法执行之前，被其它线程修改为了B、然后又修改回了A，那么CAS方法执行检查的时候会发现它的值没有发生变化，但是实际却变化了。这就是CAS的ABA问题。
解决ABA最简单的方案就是给值加一个修改版本号，每次值变化，都会修改它的版本号，CAS操作时都去对比此版本号。
java中ABA解决方法（AtomicStampedReference）
AtomicStampedReference主要包含一个对象引用及一个可以自动更新的整数“stamp”的pair
对象来解决ABA问题。

说明

count++

count ++ 操作实际上是由3步来完成！（jvm执行引擎）

获取count的值，记做A : A=count
将A值+1，得到B ：B=A+1
将B值赋值给count

如果有A.B两个线程同时执行count++,他们通知执行到上面步骤的第一步，得到的count是一样的，3步操作结束后，count只加1，导致count结果不正确！

怎么解决结果不正确问题？

对count++操作的时候，我们让多个线程排队处理，多个线程同时到达request()方法的时候，只能允许一个线程可以进去操作，其它的线程在外面等着，等里面的处理完毕出来之后，外面等着的再进去一个，这样操作的count++就是排队进行的，结果一定是正确的。

怎么实现排队效果？
java中synchronized关键字和ReentrantLock都可以实现对资源枷锁，保证并发正确性，多线程的情况下可以保证被锁住的资源被“串行”访问。

一些代码

使用synchronized关键字仿写cas

package cn.study.cas;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.util.concurrent.CountDownLatch;

/**
 * 仿写cas
 *
 * @author: yanghx
 * @created: 2021/01/10 23:35
 */
@Slf4j
public class CasDemo1 {

    /**
     * 同步调用的count
     */
    static int syncAddCount = 0;

    /**
     * 模仿Cas调用的count
     */
    static int casCount = 0;

    public static int getCasCount() {
        return casCount;
    }

    public static int getSyncAddCount() {
        return syncAddCount;
    }


    /**
     * 使用 synchronized 实现同步
     * 锁了。效率慢
     */
    public static synchronized void add() throws InterruptedException {
        syncAddCount++;
    }

    /**
     * 循环调用。
     *
     * @throws InterruptedException e
     */
    public static void casAdd() throws InterruptedException {
        //期望值
        int expectCount;
        while (!compareAndSwap(expectCount = getCasCount(), expectCount + 1)) {
        }
    }

    /**
     * 模拟cas
     * <p>
     * getCount 获取当前count的值， 如果和期望值相同，就进行赋值操作。否则就失败
     *
     * @param expectCount 期望值
     * @param newCount    要设置的新值
     * @return boolean
     */
    public static synchronized boolean compareAndSwap(int expectCount, int newCount) {
        if (getCasCount() == expectCount) {
            casCount = newCount;
            return true;
        }
        return false;

    }

    public static void syncAddTest() throws InterruptedException {
        int threadSize = 100;
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threadSize);
        long startTime = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < threadSize; i++) {
            new Thread(() -> {
                try {
                    add();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    countDownLatch.countDown();
                }
            }).start();
        }
        long endTime = System.currentTimeMillis();
        countDownLatch.await();
        log.info("同步 add调用。开始时间 {}、结束时间 {} 共用时 {} 毫秒  count = {}", startTime, endTime, endTime - startTime, getSyncAddCount());
    }

    public static void casAddTest() throws InterruptedException {
        int threadSize = 100;
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threadSize);
        long startTime = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < threadSize; i++) {
            new Thread(() -> {
                try {
                    casAdd();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    countDownLatch.countDown();
                }
            }).start();
        }
        long endTime = System.currentTimeMillis();
        countDownLatch.await();
        log.info("cas add调用。开始时间 {}、结束时间 {} 共用时 {} 毫秒  count = {}", startTime, endTime, endTime - startTime, getCasCount());

    }


    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        syncAddTest();
        Thread.sleep(2000);
        casAddTest();
    }

}

cousole

9:55:10: Executing task 'CasDemo1.main()'...

> Task :compileJava
> Task :processResources UP-TO-DATE
> Task :classes

> Task :CasDemo1.main()
09:55:13.526 [main] INFO cn.study.cas.CasDemo1 - 同步 add调用。开始时间 1610330113487、结束时间 1610330113524 共用时 37 毫秒  count = 100
09:55:15.534 [main] INFO cn.study.cas.CasDemo1 - cas add调用。开始时间 1610330115528、结束时间 1610330115534 共用时 6 毫秒  count = 100

Deprecated Gradle features were used in this build, making it incompatible with Gradle 7.0.
Use '--warning-mode all' to show the individual deprecation warnings.
See https://docs.gradle.org/6.6.1/userguide/command_line_interface.html#sec:command_line_warnings

BUILD SUCCESSFUL in 5s
3 actionable tasks: 2 executed, 1 up-to-date
9:55:15: Task execution finished 'CasDemo1.main()'.

ABA问题示例


package cn.study.cas;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

/**
 * cas Aba问题示例
 *
 * @author: yanghx
 * @created: 2021/01/11 10:03
 */
public class CasAbaDemo {
    public static AtomicInteger a = new AtomicInteger(1);

    public static void main(String[] args) {
        Thread main = new Thread(() -> {
            System.out.println("操作线程" + Thread.currentThread().getName() + ", 初始值：" + a.get());
            try {
                int expectNum = a.get();
                int newNum = expectNum + 1;
                Thread.sleep(1000);//主线程休眠一秒钟，让出cpu

                boolean isCASSccuess = a.compareAndSet(expectNum, newNum);
                System.out.println("操作线程" + Thread.currentThread().getName() + "，CAS操作：" + isCASSccuess);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }, "主线程");

        Thread other = new Thread(() -> {
            try {
                Thread.sleep(20);//确保Thread-main线程优先执行

                a.incrementAndGet();//a + 1,a=2
                System.out.println("操作线程" + Thread.currentThread().getName() + "，【increment】,值=" + a.get());
                a.decrementAndGet();//a - 1,a=1
                System.out.println("操作线程" + Thread.currentThread().getName() + "，【decrement】,值=" + a.get());
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }, "干扰线程");

        main.start();
        other.start();

    }
}

cousole

11:22:25: Executing task 'CasAbaDemo.main()'...

> Task :compileJava
> Task :processResources UP-TO-DATE
> Task :classes

> Task :CasAbaDemo.main()
操作线程主线程, 初始值：1
操作线程干扰线程，【increment】,值=2
操作线程干扰线程，【decrement】,值=1
操作线程主线程，CAS操作：true

Deprecated Gradle features were used in this build, making it incompatible with Gradle 7.0.
Use '--warning-mode all' to show the individual deprecation warnings.
See https://docs.gradle.org/6.6.1/userguide/command_line_interface.html#sec:command_line_warnings

BUILD SUCCESSFUL in 2s
3 actionable tasks: 2 executed, 1 up-to-date
11:22:28: Task execution finished 'CasAbaDemo.main()'.

ABA问题解决

package cn.study.cas;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicStampedReference;

/**
 * cas aba问题解决
 * 加一个字典。版本
 *
 * 重点看一下  AtomicStampedReference 类。提供基于版本号的方式解决aba
 *
 * 然后看两个线程中的sleep方法
 * 假定两个线程刚好同时进行
 *
 * 干扰线程开发执行
 * - 休眠 20毫秒  Thread.sleep(20);//确保Thread-main线程优先执行
 *
 * 主线程开始执行
 * - 计算好 expectNum、expectStamp、newNum、newStamp
 * - 休眠 （主线程休眠一秒钟，让出cpu）
 *
 * 干扰线程开始执行
 * -  执行+1 操作   //a.compareAndSet(a.getReference(), (a.getReference() + 1), a.getStamp(), (a.getStamp() + 1));
 * -  执行-1 操作   //a.compareAndSet(a.getReference(), (a.getReference() - 1), a.getStamp(), (a.getStamp() + 1));
 * -  [注意。 执行操作时，版本号一直是加的]
 *
 * 主线程开始执行
 * - 主线程拿到上次计算好的  expectNum、expectStamp、newNum、newStamp 进行操作 。// boolean isCASSccuess = a.compareAndSet(expectNum, newNum, expectStamp, newStamp);
 * - 失败
 *
 *
 * 通过console可以看到执行顺序
 *
 * 11:51:14.899 [干扰] INFO cn.study.cas.CasAbaDemo1 - 操作线程 干扰 初始值 1 初始版本
 * 11:51:14.899 [主线程] INFO cn.study.cas.CasAbaDemo1 - 操作线程 主线程 初始值 1 初始版本
 * 11:51:14.923 [干扰] INFO cn.study.cas.CasAbaDemo1 - 操作线程 干扰  num 2 stamp 1
 * 11:51:14.923 [干扰] INFO cn.study.cas.CasAbaDemo1 - 操作线程 干扰  num 1 stamp 2
 * 11:51:15.903 [主线程] INFO cn.study.cas.CasAbaDemo1 - 操作线程 主线程 期望Num 1 expectStamp 0 newNum 2 newStamp 1
 * 操作线程主线程，CAS操作：false
 *
 * @author: yanghx
 * @created: 2021/01/11 11:28
 */
@Slf4j
public class CasAbaDemo1 {
    public static void main(String[] args) {
        AtomicStampedReference<Integer> a = new AtomicStampedReference<>(1, 0);

        Thread main = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                log.info("操作线程 {} 初始值 {} 初始版本", Thread.currentThread().getName(), a.getReference(), a.getStamp());
                try {
                    Integer expectNum = a.getReference();
                    int expectStamp = a.getStamp();
                    Integer newNum = expectNum + 1;
                    Integer newStamp = expectStamp + 1;
                    Thread.sleep(1000);//主线程休眠一秒钟，让出cpu
                    log.info("操作线程 {} 期望Num {} expectStamp {} newNum {} newStamp {}", Thread.currentThread().getName(), expectNum, expectStamp, newNum, newStamp);

                    boolean isCASSccuess = a.compareAndSet(expectNum, newNum, expectStamp, newStamp);
                    System.out.println("操作线程" + Thread.currentThread().getName() + "，CAS操作：" + isCASSccuess);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }, "主线程");

        Thread other = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {

                log.info("操作线程 {} 初始值 {} 初始版本", Thread.currentThread().getName(), a.getReference(), a.getStamp());
                try {
                    Thread.sleep(20);//确保Thread-main线程优先执行
                    // ref +1 stamp+1
                    a.compareAndSet(a.getReference(), (a.getReference() + 1), a.getStamp(), (a.getStamp() + 1));
                    log.info("操作线程 {}  num {} stamp {}", Thread.currentThread().getName(), a.getReference(), a.getStamp());
                    //ref-1 stamp+1
                    a.compareAndSet(a.getReference(), (a.getReference() - 1), a.getStamp(), (a.getStamp() + 1));
                    log.info("操作线程 {}  num {} stamp {}", Thread.currentThread().getName(), a.getReference(), a.getStamp());

                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }, "干扰");

        main.start();
        other.start();
    }


}

什么是cas

什么是cas

定义

方法说明

QA

现代计算机动不动就上百核心，cmpxchg怎么保证多核心下的线程安全？

什么是ABA问题？

说明

一些代码

使用synchronized关键字仿写cas

ABA问题示例

ABA问题解决

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