程序员深夜惨遭老婆鄙视,原因竟是CAS原理太简单?| 每一张图都力求精美
作者:互联网
悟空
种树比较好的时间是十年前,其次是现在。
自主开发了Java学习平台、PMP刷题小程序。目前主修Java
、多线程
、SpringBoot
、SpringCloud
、k8s
。
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夜黑风高的晚上,一名苦逼程序员正在疯狂敲着键盘,突然他老婆带着一副睡眼朦胧的眼神瞟了下电脑桌面。于是有了如下对话:
老婆:这画的图是啥意思,怎么还有三角形,四边形?
我:我在画CAS的原理,要不我跟你讲一遍?
老婆:好呀!
案例:甲看见一个三角形积木,觉得不好看,想替换成五边形,但是乙想把积木替换成四边形。(前提条件,只能被替换一次)
甲比较鸡贼,想到了一个办法:“我把积木带到另外一个房间里面去替换,并上锁,就不会被别人打扰了。”(这里用到了排他锁synchronized
)
乙觉得甲太不厚道:“房间上了锁,我进不去,我也看不见积木长啥样。(因上了锁,所以不能访问)”
于是甲、乙想到了另外一个办法:谁先抢到积木,谁先替换,如果积木形状变了,则不允许其他人再次替换。(比较并替换CAS
)
于是他们就开始抢三角形积木:
-
场景1:
甲抢到,替换成五边形,乙不能替换
- 假如甲先抢到了,积木还是三角形的,就把三角形替换成五边形了。
-
乙后抢到,积木已经变为五边形了,乙就没机会替换了(因为甲、乙共一次替换机会)。
-
场景2:
乙抢到未替换,甲替换成功
-
假如乙先抢到了,但是突然觉得三角形也挺好看的,没有替换,放下积木就走开了。
-
然后甲抢到了积木,积木还是三角形的,想到乙没有替换,就把三角形替换成五边形了。
-
-
场景3:
乙抢到,替换成三角形,甲替换成五边形,ABA问题
- 假如乙先抢到了,但是觉得这个三角形是旧的,就换了另外一个一摸一样的三角形,只是积木比较新。
- 然后甲抢到了积木,积木还是三角形的,想到乙没有替换,就把三角形替换成五边形了。
老婆听完后,觉得这三种场景都太简单了,原来计算机这么简单,早知道我也去学计算机。。。
被无情鄙视了,好在老婆居然听懂了,不知道大家听懂没?
回归正传,我们用计算机术语来讲下Java CAS的原理
一、Java CAS简介
CAS的全称:Compare-And-Swap(比较并交换)。比较变量的现在值与之前的值是否一致,若一致则替换,否则不替换。
CAS的作用:原子性更新变量值,保证线程安全。
CAS指令:需要有三个操作数,变量的当前值(V),旧的预期值(A),准备设置的新值(B)。
CAS指令执行条件:当且仅当V=A时,处理器才会设置V=B,否则不执行更新。
CAS的返回指:V的之前值。
CAS处理过程:原子操作,执行期间不会被其他线程中断,线程安全。
CAS并发原语:体现在Java语言中sun.misc.Unsafe类的各个方法。调用UnSafe类中的CAS方法,JVM会帮我们实现出CAS汇编指令,这是一种完全依赖于硬件的功能,通过它实现了原子操作。由于CAS是一种系统原语,原语属于操作系统用于范畴,是由若干条指令
组成,用于完成某个功能的一个过程,并且原语的执行必须是连续的,在执行过程中不允许被中断,所以CAS是一条CPU的原子指令,不会造成所谓的数据不一致的问题,所以CAS是线程安全的。
二、能写几行代码说明下吗?
在上篇讲volatile时,讲到了如何使用原子整型类AtomicInteger来解决volatile的非原子性问题,保证多个线程执行num++的操作,最终执行的结果与单线程一致,输出结果为20000。
这次我们还是用AtomicInteger。
首先定义atomicInteger变量的初始值等于10,主内存中的值设置为10
AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(10);
然后调用atomicInteger的CAS方法,先比较当前变量atomicInteger的值是否是10,如果是,则将变量的值设置为20
atomicInteger.compareAndSet(10, 20);
设置成功,atomicInteger更新为20
当我们再次调用atomicInteger的CAS方法,先比较当前变量atomicInteger的值是否是10,如果是,则将变量的值设置为30
atomicInteger.compareAndSet(10, 30);
设置失败,因atomicInteger的当前值为20,而比较值是10,所以比较后,不相等,故不能进行更新。
完整代码如下:
package com.jackson0714.passjava.threads;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
/**
演示CAS compareAndSet 比较并交换
* @author: 悟空聊架构
* @create: 2020-08-17
*/
public class CASDemo {
public static void main(String[] args) {
AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(10);
Boolean result1 = atomicInteger.compareAndSet(10,20);
System.out.printf("当前atomicInteger变量的值:%d 比较结果%s\r\n", atomicInteger.get(), result1);
Boolean result2 = atomicInteger.compareAndSet(10,30);
System.out.printf("当前atomicInteger变量的值:%d, 比较结果%s\n" , atomicInteger.get(), result2);
}
}
执行结果如下:
当前atomicInteger变量的值:20 比较结果true
当前atomicInteger变量的值:20, 比较结果false
我们来对比看下原理图理解下上面代码的过程
- 第一步:线程1和线程2都有主内存中变量的拷贝,值都等于10
- 第二步:线程1想要将值更新为20,先要将工作内存中的变量值与主内存中的变量进行比较,值都等于10,所以可以将主内存中的值替换成20
- 第三步:线程1将主内存中的值替换成20,并将线程1中的工作内存中的副本更新为20
- 第四步:线程2想要将变量更新为30,先要将线程2的工作内存中的值与主内存进行比较10不等于20,所以不能更新
- 第五步:线程2将工作内存的副本更新为与主内存一致:20
图画得非常棒!
上述的场景和我们用Git代码管理工具是一样的,如果有人先提交了代码到develop分支,另外一个人想要改这个地方的代码,就得先pull develop分支,以免提交时提示冲突。
三、能讲下CAS底层原理吗?
源码调试
这里我们用atomicInteger的getAndIncrement()方法来讲解,这个方法里面涉及到了比较并替换的原理。
示例如下:
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(10);
Thread.sleep(100);
new Thread(() -> {
atomicInteger.getAndIncrement();
}, "aaa").start();
atomicInteger.getAndIncrement();
}
-
(1)首先需要开启IDEA的多线程调试模式
-
(2)我们先打断点到17行,main线程执行到此行,子线程
aaa
还未执行自增操作。
getAndIncrement方法会调用unsafe的getAndAddInt
方法,
public final int getAndIncrement() {
return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
}
-
(3)在源码
getAndAddInt
方法的361行打上断点,main线程先执行到361行public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) { int var5; do { var5 = this.getIntVolatile(var1, var2); } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4)); return var5; }
源码解释: 划重点!!!
- var1:当前对象,我们定义的atomicInteger
- var2:当前对象的内存偏移量
- var4:当前自增多少,默认为1,且不可设为其他值
- var5:当前变量的值
this.getIntVolatile(var1, var2)
:根据当前对象var1和对象的内存偏移量var2得到主内存中变量的值,赋值给var5,并在main线程的工作内存中存放一份var5的副本
-
(4)在362行打上断点,main线程继续执行一步
- var5获取到主内存中的值为10
-
(5)切换到子线程aaa,还是在361行断点处,还未获取主内存的值
-
(6)子线程aaa继续执行一步,获取到var5的值等于10
(7)切换到main线程,进行比较并替换
this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4)
var5=10,通过var1和var2获取到的值也是10,因为没有其他线程修改变量。compareAndSwapInt的源码我们后面再说。
所以比较后,发现变量没被其他线程修改,可以进行替换,替换值为var5+var4=11,变量值替换后为 11,也就是自增1。这行代码执行结果返回true(自增成功),退出do while循环。return值为变量更新前的值10。
(8)切换到子线程aaa,进行比较并自增
因为此时aaa线程的var5=10,而主内存中的值已经更新为11了,所以比较后发现被其他线程修改了,不能进行替换,返回false,继续执行do while循环。
- (9)子线程aaa继续执行,重新获取到的var=11
-
(10)子线程aaa继续执行,进行比较和替换,结果为true
因var5=11,主内存中的变量值也等于11,所以比较后相等,可以进行替换,替换值为var5+var4,结果为12,也就是自增1。退出循环,返回变量更新前的值var5=11。
至此,getAndIncrement方法的整个原子自增的逻辑就debug完了。所以可以得出结论:
先比较线程中的副本是否与主内存相等,相等则可以进行自增,并返回副本的值,若其他线程修改了主内存中的值,当前线程不能进行自增,需要重新获取主内存的值,然后再次判断是否与主内存中的值是否相等,以此往复。
四、CAS有什么问题?
不知道大家发现没,aaa线程可能会出现循环多次的问题,因为其他线程可能将主内存的值又改了,但是aaa线程拿到的还是老的数据,就会出现再循环一次,就会给CPU带来性能开销。这个就是自旋
。
频繁出现自旋,循环时间长,开销大
(因为执行的是do while,如果比较不成功一直在循环,最差的情况,就是某个线程一直取到的值和预期值都不一样,这样就会无限循环)- 只能保证
一个
共享变量的原子操作- 当对
一个
共享变量执行操作时,我们可以通过循环CAS的方式来保证原子操作 - 但是对于
多个
共享变量操作时,循环CAS就无法保证操作的原子性,这个时候只能用锁来保证原子性
- 当对
- 引出来ABA问题(有彩蛋)
五、小结
本篇从和老婆的对话开始,以通俗的语言给老婆讲了CAS问题,其中还涉及到了并发锁。然后从底层代码一步一步debug,深入理解了CAS的原理。
每一张图都力求精美!分享+在看啊,大佬们!
彩蛋:还有一个ABA问题没有给大家讲,另外这里怎么不是AAB(拖拉机),AAA(金花)?
这周前三天写技术文章花了大量时间,少熬夜,睡觉啦 ~ 我们下期再来讲ABA问题,小伙伴们分享转发下好吗?您的支持是我写作最大的动力~
悟空,一只努力变强的码农!我要变身超级赛亚人啦!
标签:var5,10,CAS,atomicInteger,鄙视,程序员,线程,内存 来源: https://www.cnblogs.com/jackson0714/p/CAS.html