Java併發編程-CAS

来源:https://www.cnblogs.com/iou123lg/archive/2018/07/15/9314826.html
-Advertisement-
Play Games

上一篇文章,學習了併發編程中的volatile,最後取了網上流傳很廣的一張圖來結尾,從圖中可以看出除了volatile變數的讀寫,還有一個叫做CAS的東西,所以這篇文章再來學習CAS。 1、 併發編程三要素-原子性、可見性、有序性 在討論CAS前,我想先討論一下併發編程的三要素,這個應該可以幫助理解 ...


  上一篇文章,學習了併發編程中的volatile,最後取了網上流傳很廣的一張圖來結尾,從圖中可以看出除了volatile變數的讀寫,還有一個叫做CAS的東西,所以這篇文章再來學習CAS。

1、  併發編程三要素-原子性、可見性、有序性

  在討論CAS前,我想先討論一下併發編程的三要素,這個應該可以幫助理解CAS的作用等。其實上一篇提到的Java記憶體模型就是圍繞著在併發過程中如何處理原子性、可見性和有序性這3個特征來建立的,所以我理解Java編程實現如果滿足了這3個特性,就是線程安全的,可以支持併發訪問。

原子性:指的是一個操作不能再繼續拆分,要麼一次操作完成,要麼就是不執行。在Java中,為了保證原子性,提供了兩個高級的位元組碼指令(monitorenter和monitorexit),這個就是關鍵字synchronized,可以看Java併發編程-synchronized我理解其實還有一種操作也是可以滿足原子性的,就是CAS。

可見性:指的是一個變數在被一個線程更改後,其他的線程能立即看到最新的值。

有序性:指的是程式的執行按照代碼的先後順序執行。對於可見性和有序性,Java提供了關鍵字volatile,volatile禁止指令重排,保證了有序性,同時volatile可以保證變數的讀寫及時從緩存中刷新到主存,也就保證了可見性,可以看Java併發編程-volatile。除此以外,synchronized是可見性和有序性另外一種實現,同步方法和同步代碼塊保證一個變數在同一時間只能有一個線程訪問,這就是一種先後順序,而對於可見性保證,只能有一個線程操作變數,那麼其他線程只能在前一個線程操作完成後才可以看到變數最新的值。

我們可以發現synchronized一次性滿足了3個特性,那麼我們是不是可以大膽的認為CAS+volatile組合在一起也可以滿足3個特性。         

2、  CAS介紹

  CAS全稱compare-and-swap,是電腦科學中一種實現多線程原子操作的指令,它比較記憶體中當前存在的值和外部給定的期望值,只有兩者相等時,才將這個記憶體值修改為新的給定值。CAS操作包含三個操作數,需要讀寫的記憶體位置(V)、擬比較的預期原值(A)和擬寫入的新值(B),如果V的值和A的值匹配,則將V的值更新為B,否則不做任何操作。多線程嘗試使用CAS更新同一變數時,只有一個線程可以操作成功,其他的線程都會失敗,失敗的線程不會被掛起,只是在此次競爭中被告知失敗,下次可以繼續嘗試CAS操作的。

3、  CAS背後實現

  JUC下的atomic類都是通過CAS來實現的,下麵就以AtomicInteger為例來闡述CAS的實現。直接看方法compareAndSet,調用了unsafe類的compareAndSwapInt方法:

public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}

  其中四個參數分別表示對象、對象的地址(定位到V)、預期值(A)、修改值(B)。

  再看unsafe類的方法,這是一個native方法,所以只能繼續放看openJDK的代碼。

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

  在unsafe.cpp找到方法CompareAndSwapInt,可以依次看到變數obj、offset、e和x,其中addr就是當前記憶體位置指針,最終再調用Atomic類的cmpxchg方法。

UNSAFE_ENTRY(jboolean, Unsafe_CompareAndSwapInt(JNIEnv *env, jobject unsafe, jobject obj, jlong offset, jint e, jint x))
  UnsafeWrapper("Unsafe_CompareAndSwapInt");
  oop p = JNIHandles::resolve(obj);
  jint* addr = (jint *) index_oop_from_field_offset_long(p, offset);
  return (jint)(Atomic::cmpxchg(x, addr, e)) == e;
UNSAFE_END

  找到類atomic.hpp,從變數命名上基本可以見名知義。

static jint     cmpxchg    (jint     exchange_value, volatile jint*     dest, jint     compare_value);

  和volatile類型,CAS也是依賴不同的CPU會有不同的實現,在src/os_cpu目錄下可以看到不同的實現,以atomic_linux_x86.inline.hpp為例,是這麼實現的:

inline jint     Atomic::cmpxchg    (jint     exchange_value, volatile jint*     dest, jint     compare_value) {
  int mp = os::is_MP();
  __asm__ volatile (LOCK_IF_MP(%4) "cmpxchgl %1,(%3)"
                    : "=a" (exchange_value)
                    : "r" (exchange_value), "a" (compare_value), "r" (dest), "r" (mp)
                    : "cc", "memory");
  return exchange_value;
}

  底層是通過指令cmpxchgl來實現,如果程式是多核環境下,還會先在cmpxchgl前生成lock指令首碼,反之如果是在單核環境下就不需要生成lock指令首碼。為什麼多核要生成lock指令首碼?因為CAS是一個原子操作,原子操作隱射到電腦的實現,多核CPU的時候,如果這個操作給到了多個CPU,就破壞了原子性,所以多核環境肯定得先加一個lock指令,不管這個它是以匯流排鎖還是以緩存鎖來實現的,單核就不存在這樣的問題了。

4、  CAS存在的問題

4.1  ABA問題

  因為CAS需要在操作值的時候,檢查值有沒有發生變化,如果沒有發生變化則更新,但是如果一個值原來是A,變成了B,又變成了A,那麼使用CAS進行檢查時會發現它的值沒有發生變化,但是實際上卻變化了。ABA問題的解決思路就是使用版本號。在變數前面追加上版本號,每次變數更新的時候把版本號加1,那麼A→B→A就會變成1A→2B→3A。

  關於ABA問題的舉例,參考鏈接裡面有篇文章其實說的很清楚了,不過我認為他這個例子好像描述的有點問題,應該是線程1希望A替換為B,執行操作CAS(A,B),此時線程2做了個操作,將A→B變成了A→C,A的版本已經發生了變化,再執行線程1時會認為A還是那個A,鏈表變成B→C,如果有B.next=null,C這個節點就丟失了。

  從Java 1.5開始,JDK的Atomic包里提供了一個類AtomicStampedReference來解決ABA問題。這個類的compareAndSet方法的作用是首先檢查當前引用是否等於預期引用,並且檢查當前標誌是否等於預期標誌,如果全部相等,則以原子方式將該引用和該標誌的值設置為給定的更新值。

4.2  迴圈時間長開銷大

  一般CAS操作都是在不停的自旋,這個操作本身就有可能會失敗的,如果一直不停的失敗,則會給CPU帶來非常大的開銷。

4.3  只能保證一個共用變數的原子操作

  看了CAS的實現就知道這個只能針對一個共用變數,如果是多個共用變數就只能使用synchronized。除此之外,可以考慮使用AtomicReference來包裝多個變數,通過這種方式來處理多個共用變數的情況。

參考資料:

https://github.com/lingjiango/ConcurrentProgramPractice

https://en.wikipedia.org/wiki/Compare-and-swap

http://cmsblogs.com/?p=2235


您的分享是我們最大的動力!

-Advertisement-
Play Games
更多相關文章
  • 實現對DataFrame對象隨機採樣 pandas是基於numpy建立起來的,所以numpy大部分函數可作用於DataFrame和Series數據結構。 numpy.random.permutation(n)函數可以產生0~n範圍內的n個隨機數,輸出形式為numpy數組。 In: Out: 新建一個 ...
  • 1、java中的scanner: scanner 是java中用來進行人機交互的函數; 使用前需要導入:java.util.Scanner包 import java.util.Scanner; 在使用時有以下語法: Scanner sc=new Scanner(System.in);//建立一個鍵盤 ...
  • 想了很久,我決定還是先從signal和slot(信號槽)開始講起。 signal和slot大家一定不陌生,先看一段示例(選自文檔): 使用signal和slot的類必須包含Q_OBJECT巨集,聲明slot需要使用public/private/protected slots:,signal則需要sig ...
  • 直接上代碼,先來個爬取豆瓣圖片的,大致思路就是發送請求-得到響應數據-儲存數據,原理的話可以先看看這個 https://www.cnblogs.com/sss4/p/7809821.html 再來個爬去標題類的 這個是下載小說的 (別人的代碼) ...
  • 字典: key值經過哈希函數的運算的結果決定value存放的地址,且key值是由不可變數組成。value可以是任何python的對象。 字典基本操作 增 查 刪 排 ...
  • 更新時間:2018 06 14 《Python指南》原文在 "這裡" 。本篇筆記主要是劃重點。 Python 3.6.3 1、簡單入門 1.1 編碼 預設情況下,Python 源文件是 UTF 8 編碼。 你也可以為源文件指定不同的字元編碼。 1.2 註釋 Python 中的註釋以 字元起始,直至實 ...
  • 生成器的特點是工作到一半,就會停下來看別人幹活直至有人踢它屁股,這時它才繼續往下幹活。實現這一功能的精髓要用到yield。 生成器是一種特殊的迭代器,因此我們先來瞭解一下什麼是迭代器。我們都知道著名的斐波那契數列:1、1、2、3、5、8、13、21、34……從第三個數開始,每個數都可以由其前面的兩個 ...
  • 今日內容: 1、子評論評論樓的實現;評論樹尚未實現; 2、富文本編輯器的使用。 XSS攻擊全稱跨站腳本攻擊,為了不和層疊樣式表(Cascading Style Sheets, CSS)的縮寫混淆,故將跨站腳本攻擊縮寫為XSS,XSS是一種在web應用中的電腦安全漏洞,它允許惡意web用戶將代碼植入 ...
一周排行
    -Advertisement-
    Play Games
  • 移動開發(一):使用.NET MAUI開發第一個安卓APP 對於工作多年的C#程式員來說,近來想嘗試開發一款安卓APP,考慮了很久最終選擇使用.NET MAUI這個微軟官方的框架來嘗試體驗開發安卓APP,畢竟是使用Visual Studio開發工具,使用起來也比較的順手,結合微軟官方的教程進行了安卓 ...
  • 前言 QuestPDF 是一個開源 .NET 庫,用於生成 PDF 文檔。使用了C# Fluent API方式可簡化開發、減少錯誤並提高工作效率。利用它可以輕鬆生成 PDF 報告、發票、導出文件等。 項目介紹 QuestPDF 是一個革命性的開源 .NET 庫,它徹底改變了我們生成 PDF 文檔的方 ...
  • 項目地址 項目後端地址: https://github.com/ZyPLJ/ZYTteeHole 項目前端頁面地址: ZyPLJ/TreeHoleVue (github.com) https://github.com/ZyPLJ/TreeHoleVue 目前項目測試訪問地址: http://tree ...
  • 話不多說,直接開乾 一.下載 1.官方鏈接下載: https://www.microsoft.com/zh-cn/sql-server/sql-server-downloads 2.在下載目錄中找到下麵這個小的安裝包 SQL2022-SSEI-Dev.exe,運行開始下載SQL server; 二. ...
  • 前言 隨著物聯網(IoT)技術的迅猛發展,MQTT(消息隊列遙測傳輸)協議憑藉其輕量級和高效性,已成為眾多物聯網應用的首選通信標準。 MQTTnet 作為一個高性能的 .NET 開源庫,為 .NET 平臺上的 MQTT 客戶端與伺服器開發提供了強大的支持。 本文將全面介紹 MQTTnet 的核心功能 ...
  • Serilog支持多種接收器用於日誌存儲,增強器用於添加屬性,LogContext管理動態屬性,支持多種輸出格式包括純文本、JSON及ExpressionTemplate。還提供了自定義格式化選項,適用於不同需求。 ...
  • 目錄簡介獲取 HTML 文檔解析 HTML 文檔測試參考文章 簡介 動態內容網站使用 JavaScript 腳本動態檢索和渲染數據,爬取信息時需要模擬瀏覽器行為,否則獲取到的源碼基本是空的。 本文使用的爬取步驟如下: 使用 Selenium 獲取渲染後的 HTML 文檔 使用 HtmlAgility ...
  • 1.前言 什麼是熱更新 游戲或者軟體更新時,無需重新下載客戶端進行安裝,而是在應用程式啟動的情況下,在內部進行資源或者代碼更新 Unity目前常用熱更新解決方案 HybridCLR,Xlua,ILRuntime等 Unity目前常用資源管理解決方案 AssetBundles,Addressable, ...
  • 本文章主要是在C# ASP.NET Core Web API框架實現向手機發送驗證碼簡訊功能。這裡我選擇是一個互億無線簡訊驗證碼平臺,其實像阿裡雲,騰訊雲上面也可以。 首先我們先去 互億無線 https://www.ihuyi.com/api/sms.html 去註冊一個賬號 註冊完成賬號後,它會送 ...
  • 通過以下方式可以高效,並保證數據同步的可靠性 1.API設計 使用RESTful設計,確保API端點明確,並使用適當的HTTP方法(如POST用於創建,PUT用於更新)。 設計清晰的請求和響應模型,以確保客戶端能夠理解預期格式。 2.數據驗證 在伺服器端進行嚴格的數據驗證,確保接收到的數據符合預期格 ...