【并发】CAS原子操作

1. 定义

CAS是Compare And Swap的缩写,直译就是比较并交换。CAS是现代CPU广泛支持的一种对内存中的共享数据进行操作的一种特殊指令,这个指令会对内存中的共享数据做原子的读写操作。其作用是让CPU比较内存中某个值是否和预期的值相同,如果相同则将这个值更新为新值,不相同则不做更新。
本质上来讲CAS是一种无锁的解决方案,也是一种基于乐观锁的操作,可以保证在多线程并发中保障共享资源的原子性操作,相对于信号量或锁来说,是一种轻量级的实现方案。
在这里插入图片描述
在上图中涉及到三个值的比较和操作:修改之前获取的(待修改)值A,业务逻辑计算的新值B,以及待修改值对应的内存位置的C。
整个处理流程中,假设内存中存在一个变量i,它在内存中对应的值是A(第一次读取),此时经过业务处理之后,要把它更新成B,那么在更新之前会再读取一下i现在的值C,如果在业务处理的过程中i的值并没有发生变化,也就是A和C相同,才会把i更新(交换)为新值B。如果A和C不相同,那说明在业务计算时,i的值发生了变化,则不更新(交换)成B。最后,CPU会将旧的数值返回。而上述的一系列操作由CPU指令来保证是原子的。

2. CAS的内核实现

s64 generic_atomic64_cmpxchg(atomic64_t *v, s64 o, s64 n)
{unsigned long flags;raw_spinlock_t *lock = lock_addr(v);s64 val;raw_spin_lock_irqsave(lock, flags);val = v->counter;if (val == o)v->counter = n;raw_spin_unlock_irqrestore(lock, flags);return val;
}

3. CAS存在的问题

3.1 ABA问题

虽然使用CAS可以实现非阻塞式的原子性操作,但是会产生ABA问题,ABA问题出现的基本流程:
● 进程P1在共享变量中读到值为A;
● P1被抢占了,进程P2执行;
● P2把共享变量里的值从A改成了B,再改回到A,此时被P1抢占;
● P1回来看到共享变量里的值没有被改变,于是继续执行;
虽然P1以为变量值没有改变,继续执行了,但是这个会引发一些潜在的问题。ABA问题最容易发生在lock free的算法中的,CAS首当其冲,因为CAS判断的是指针的地址。如果这个地址被重用了呢,问题就很大了(地址被重用是很经常发生的,一个内存分配后释放了,再分配,很有可能还是原来的地址)。
维基百科上给了一个形象的例子:你拿着一个装满钱的手提箱在飞机场,此时过来了一个火辣性感的美女,然后她很暖昧地挑逗着你,并趁你不注意,把用一个一模一样的手提箱和你那装满钱的箱子调了个包,然后就离开了,你看到你的手提箱还在那,于是就提着手提箱去赶飞机去了。
ABA问题的解决思路就是使用版本号:在变量前面追加上版本号,每次变量更新的时候把版本号加1,那么A->B->A就会变成1A->2B->3A。

3.2 循环时间太长

如果CAS一直不成功呢?这种情况绝对有可能发生,如果自旋CAS长时间地不成功,则会给CPU带来非常大的开销。在JUC中有些地方就限制了CAS自旋的次数,例如BlockingQueue的SynchronousQueue。

3.3 只能保证一个共享变量的原子性

看了CAS的实现就知道这只能针对一个共享变量,如果是多个共享变量就只能使用锁了,当然如果你有办法把多个变量整成一个变量,利用CAS也不错。从Java1.5开始JDK提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性,你可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作。

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