java多線程之CAS

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 前言

 

       在Java並發包中有這樣一個包，java.util.concurrent.atomic，該包是對Java部分資料類型的原子封裝，在原有資料類型的基礎上，提供了原子性的操作方法，保證了安全執行緒。下面以AtomicInteger為例，來看一下是如何?的。

public final int incrementAndGet() {    for (;;) {        int current = get();        int next = current + 1;        if (compareAndSet(current, next))            return next;    }}

 

public final int decrementAndGet() {    for (;;) {        int current = get();        int next = current - 1;        if (compareAndSet(current, next))            return next;    }}

 

       以這兩個方法為例，incrementAndGet方法相當於原子性的++i，decrementAndGet方法相當於原子性的--i（根據第一章和第二章我們知道++i或--i不是一個原子性的操作），這兩個方法中都沒有使用阻塞式的方式來保證原子性（如Synchronized），那它們是如何保證原子性的呢，下面引出CAS。

Compare And Swap

       CAS 指的是現代 CPU 廣泛支援的一種對記憶體中的共用資料進行操作的一種特殊指令。這個指令會對記憶體中的共用資料做原子的讀寫操作。簡單介紹一下這個指令的操作過程：首先，CPU 會將記憶體中將要被更改的資料與期望的值做比較。然後，當這兩個值相等時，CPU 才會將記憶體中的數值替換為新的值。否則便不做操作。最後，CPU 會將舊的數值返回。這一系列的操作是原子的。它們雖然看似複雜，但卻是 Java 5 並發機制優於原有鎖機制的根本。簡單來說，CAS 的含義是“我認為原有的值應該是什麼，如果是，則將原有的值更新為新值，否則不做修改，並告訴我原來的值是多少”。（這段描述引自《Java並發編程實踐》）
       簡單的來說，CAS有3個運算元，記憶體值V，舊的預期值A，要修改的新值B。若且唯若預期值A和記憶體值V相同時，將記憶體值V修改為B，否則返回V。這是一種樂觀鎖的思路，它相信在它修改之前，沒有其它線程去修改它；而Synchronized是一種悲觀鎖，它認為在它修改之前，一定會有其它線程去修改它，悲觀鎖效率很低。下面來看一下AtomicInteger是如何利用CAS實現原子性操作的。

 CAS的ABA問題

所謂 ，問題基本是這個樣子：

1. 進程P1在共用變數中讀到值為A
2. P1被搶佔了，進程P2執行
3. P2把共用變數裡的值從A改成了B，再改回到A，此時被P1搶佔。
4. P1回來看到共用變數裡的值沒有被改變，於是繼續執行。

雖然P1以為變數值沒有改變，繼續執行了，但是這個會引發一些潛在的問題。ABA問題最容易發生在lock free 的演算法中的，CAS首當其衝，因為CAS判斷的是指標的地址。如果這個地址被重用了呢，問題就很大了。（地址被重用是很經常發生的，一個記憶體配置後釋放了，再分配，很有可能還是原來的地址）

比如上述的DeQueue()函數，因為我們要讓head和tail分開，所以我們引入了一個dummy指標給head，當我們做CAS的之前，如果head的那塊記憶體被回收並被重用了，而重用的記憶體又被EnQueue()進來了，這會有很大的問題。（記憶體管理中重用記憶體基本上是一種很常見的行為）

這個例子你可能沒有看懂，維基百科上給了一個活生生的例子——

你拿著一個裝滿錢的手提箱在飛機場，此時過來了一個火辣性感的美女，然後她很暖昧地挑逗著你，並趁你不注意的時候，把用一個一模一樣的手提箱和你那裝滿錢的箱子調了個包，然後就離開了，你看到你的手提箱還在那，於是就提著手提箱去趕飛機去了。

這就是ABA的問題。

 

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