深入講解我們說的CAS自旋鎖到底是什么

什么是自旋鎖

說道自旋鎖就要從多線程下的鎖機(jī)制說起，由于在多處理器系統(tǒng)環(huán)境中有些資源因?yàn)槠溆邢扌?，有時需要互斥訪問（mutual exclusion），這時會引入鎖的機(jī)制，只有獲取了鎖的進(jìn)程才能獲取資源訪問。即每次只能有且只有一個進(jìn)程能獲取鎖，才能進(jìn)入自己的臨界區(qū)，同一時間不能兩個或兩個以上進(jìn)程進(jìn)入臨界區(qū)，當(dāng)退出臨界區(qū)時釋放鎖。

設(shè)計互斥算法時總是會面臨一種情況，即沒有獲得鎖的進(jìn)程怎么辦？

通常有2種處理方式：

一種是沒有獲得鎖的調(diào)用者就一直循環(huán)在那里看是否該自旋鎖的保持者已經(jīng)釋放了鎖，這就是本文的重點(diǎn)——自旋鎖。他不用將線城阻塞起來（NON-BLOCKING)。

另一種是沒有獲得鎖的進(jìn)程就阻塞(BLOCKING)自己，繼續(xù)執(zhí)行線程上的其他任務(wù)，這就是 ——互斥鎖（包括內(nèi)置鎖Synchronized還有ReentrantLock等等）。

引言

CAS（Compare and swap），即比較并交換，也是實(shí)現(xiàn)我們平時所說的自旋鎖或樂觀鎖的核心操作。

它的實(shí)現(xiàn)很簡單，就是用一個預(yù)期的值和內(nèi)存值進(jìn)行比較，如果兩個值相等，就用預(yù)期的值替換內(nèi)存值，并返回 true。否則，返回 false。

保證原子操作

任何技術(shù)的出現(xiàn)都是為了解決某些特定的問題， CAS 要解決的問題就是保證原子操作。原子操作是什么，原子就是最小不可拆分的，原子操作就是最小不可拆分的操作，也就是說操作一旦開始，就不能被打斷，知道操作完成。在多線程環(huán)境下，原子操作是保證線程安全的重要手段。舉個例子來說，假設(shè)有兩個線程在工作，都想對某個值做修改，就拿自增操作來說吧，要對一個整數(shù) i 進(jìn)行自增操作，需要基本的三個步驟：

1、讀取 i 的當(dāng)前值；

2、對 i 值進(jìn)行加 1 操作；

3、將 i 值寫回內(nèi)存；

假設(shè)兩個進(jìn)程都讀取了 i 的當(dāng)前值，假設(shè)是 0，這時候 A 線程對 i 加 1 了，B 線程也 加 1，最后 i 的是 1 ，而不是 2。這就是因?yàn)樽栽霾僮鞑皇窃硬僮?，分成的這三個步驟可以被干擾。如下面這個例子，10個線程，每個線程都執(zhí)行 10000 次 i++ 操作，我們期望的值是 100,000，但是很遺憾，結(jié)果總是小于 100,000 的。

 static int i = 0;
 public static void add(){
 i++;
 }
 
 private static class Plus implements Runnable{
 @Override
 public void run(){
 for(int k = 0;k<10000;k++){
 add();
 }
 }
 }
 
 public static void main(String[] args) throws InterruptedException{
 Thread[] threads = new Thread[10];
 for(int i = 0;i<10;i++){
 threads[i] = new Thread(new Plus());
 threads[i].start();
 }
 for(int i = 0;i<10;i++){
 threads[i].join();
 }
 System.out.println(i);
 }

既然這樣，那怎么辦。沒錯，也許你已經(jīng)想到了，可以加鎖或者利用 synchronized 實(shí)現(xiàn)，例如，將 add() 方法修改為如下這樣：

public synchronized static void add(){
 i++;
 }

或者，加鎖操作，例如下面使用 ReentrantLock （可重入鎖）實(shí)現(xiàn)。

private static Lock lock = new ReentrantLock();
 public static void add(){
 lock.lock();
 i++;
 lock.unlock();
 }

CAS 實(shí)現(xiàn)自旋鎖

既然用鎖或 synchronized 關(guān)鍵字可以實(shí)現(xiàn)原子操作，那么為什么還要用 CAS 呢，因?yàn)榧渔i或使用 synchronized 關(guān)鍵字帶來的性能損耗較大，而用 CAS 可以實(shí)現(xiàn)樂觀鎖，它實(shí)際上是直接利用了 CPU 層面的指令，所以性能很高。

上面也說了，CAS 是實(shí)現(xiàn)自旋鎖的基礎(chǔ)，CAS 利用 CPU 指令保證了操作的原子性，以達(dá)到鎖的效果，至于自旋呢，看字面意思也很明白，自己旋轉(zhuǎn)，翻譯成人話就是循環(huán)，一般是用一個無限循環(huán)實(shí)現(xiàn)。這樣一來，一個無限循環(huán)中，執(zhí)行一個 CAS 操作，當(dāng)操作成功，返回 true 時，循環(huán)結(jié)束；當(dāng)返回 false 時，接著執(zhí)行循環(huán)，繼續(xù)嘗試 CAS 操作，直到返回 true。

其實(shí) JDK 中有好多地方用到了 CAS ,尤其是java.util.concurrent包下，比如 CountDownLatch、Semaphore、ReentrantLock 中，再比如 java.util.concurrent.atomic 包下，相信大家都用到過 Atomic* ，比如 AtomicBoolean、AtomicInteger 等。

這里拿 AtomicBoolean 來舉個例子，因?yàn)樗銐蚝唵巍?/p>

public class AtomicBoolean implements java.io.Serializable {
 private static final long serialVersionUID = 4654671469794556979L;
 // setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updates
 private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
 private static final long valueOffset;
 static {
 try {
 valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
 (AtomicBoolean.class.getDeclaredField("value"));
 } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
 }
 private volatile int value;
 
 public final boolean get() {
 return value != 0;
 }
 public final boolean compareAndSet(boolean expect, boolean update) {
 int e = expect ? 1 : 0;
 int u = update ? 1 : 0;
 return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, e, u);
 }
}

這是 AtomicBoolean 的部分代碼，我們看到這里面又幾個關(guān)鍵方法和屬性。

1、使用了 sun.misc.Unsafe 對象，這個類提供了一系列直接操作內(nèi)存對象的方法，只是在 jdk 內(nèi)部使用，不建議開發(fā)者使用；

2、value 表示實(shí)際值，可以看到 get 方法實(shí)際是根據(jù) value 是否等于0來判斷布爾值的，這里的 value 定義為 volatile，因?yàn)?volatile 可以保證內(nèi)存可見性，也就是 value 值只要發(fā)生變化，其他線程是馬上可以看到變化后的值的；下一篇會講一下 volatile 可見性問題，歡迎關(guān)注

3、valueOffset 是 value 值的內(nèi)存偏移量，用 unsafe.objectFieldOffset 方法獲得，用作后面的 compareAndSet 方法；

4、compareAndSet 方法，這就是實(shí)現(xiàn) CAS 的核心方法了，在使用 AtomicBoolean 的這個方法時，只需要傳遞期望值和待更新的值即可，而它里面調(diào)用了 unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, e, u) 方法，它是個 native 方法，用 c++ 實(shí)現(xiàn)，具體的代碼就不貼了，總之是利用了 CPU 的 cmpxchg 指令完成比較并替換，當(dāng)然根據(jù)具體的系統(tǒng)版本不同，實(shí)現(xiàn)起來也有所區(qū)別，感興趣的可以自行搜一下相關(guān)文章。

使用場景

• CAS 適合簡單對象的操作，比如布爾值、整型值等；
• CAS 適合沖突較少的情況，如果太多線程在同時自旋，那么長時間循環(huán)會導(dǎo)致 CPU 開銷很大；

比如 AtomicBoolean 可以用在這樣一個場景下，系統(tǒng)需要根據(jù)一個布爾變量的狀態(tài)屬性來判斷是否需要執(zhí)行一些初始化操作，如果是多線程的環(huán)境下，避免多次重復(fù)執(zhí)行，可以使用 AtomicBoolean 來實(shí)現(xiàn)，偽代碼如下：

private final static AtomicBoolean flag = new AtomicBoolean();
 if(flag.compareAndSet(false,true)){
 init();
 }

比如 AtomicInteger 可以用在計數(shù)器中，多線程環(huán)境中，保證計數(shù)準(zhǔn)確。

ABA問題

CAS 存在一個問題，就是一個值從 A 變?yōu)?B ，又從 B 變回了 A，這種情況下，CAS 會認(rèn)為值沒有發(fā)生過變化，但實(shí)際上是有變化的。對此，并發(fā)包下倒是有 AtomicStampedReference 提供了根據(jù)版本號判斷的實(shí)現(xiàn)，可以解決一部分問題。

總結(jié)

以上就是這篇文章的全部內(nèi)容了，希望本文的內(nèi)容對大家的學(xué)習(xí)或者工作具有一定的參考學(xué)習(xí)價值，如果有疑問大家可以留言交流，謝謝大家對億速云的支持。