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在面试中,并发线程安全提问必然是不会缺少的,那基础的CAS原理也必须了解,这样在面试中才能加分,那来看看面试可能会问那些问题:
总是假设最坏的情况,每次读取数据的时候都默认其他线程会更改数据,因此需要进行加锁操作,当其他线程想要访问数据时,都需要阻塞挂起。悲观锁的实现:
乐观锁,其实就是一种思想,总是认为不会产生并发问题,每次读取数据的时候都认为其他线程不会修改数据,所以不上锁,但是在更新的时候会判断一下在此期间别的线程有没有修改过数据,乐观锁适用于读操作多的场景,这样可以提高程序的吞吐量。实现方式:
乐观锁适用于读多写少的情况下(多读场景),悲观锁比较适用于写多读少场景。
在jdk1.5之前都是使用synchronized关键字保证同步,synchronized保证了无论哪个线程持有共享变量的锁,都会采用独占的方式来访问这些变量,导致会存在这些问题:
为了优化悲观锁这些问题,就出现了乐观锁:
假设没有并发冲突,每次不加锁操作同一变量,如果有并发冲突导致失败,则重试直至成功。
CAS 全称是 compare and swap(比较并且交换),是一种用于在多线程环境下实现同步功能的机制,其也是无锁优化,或者叫自旋,还有自适应自旋。
在jdk中,CAS加volatile关键字作为实现并发包的基石。没有CAS就不会有并发包,java.util.concurrent中借助了CAS指令实现了一种区别于synchronized的一种乐观锁。
乐观锁的一种典型实现机制(CAS):
乐观锁主要就是两个步骤:
当多个线程尝试使用CAS同时更新同一个变量时,只有一个线程可以更新变量的值,其他的线程都会失败,失败的线程并不会挂起,而是告知这次竞争中失败了,并可以再次尝试。
在不使用锁的情况下保证线程安全,CAS实现机制中有重要的三个操作数:
首先先读取需要读写的内存位置(V),然后比较需要读写的内存位置(V)和预期原值(A),如果内存位置与预期原值的A相匹配,那么将内存位置的值更新为新值B。如果内存位置与预期原值的值不匹配,那么处理器不会做任何操作。无论哪种情况,它都会在 CAS 指令之前返回该位置的值。具体可以分成三个步骤:
在JDK1.5以上 java.util.concurrent(JUC java并发工具包)是基于CAS算法实现的,相比于synchronized独占锁,堵塞算法,CAS是非堵塞算法的一种常见实现,使用乐观锁JUC在性能上有了很大的提升。
CAS如何在不使用锁的情况下保证线程安全,看并发包中的原子操作类AtomicInteger::getAndIncrement()方法(相当于i++的操作):
// AtomicInteger中//value的偏移量private static final long valueOffset; //获取值private volatile int value;//设置value的偏移量static { try { valueOffset = unsafe.objectFieldOffset (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value")); } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); } }//增加1public final int getAndIncrement() { return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1); }
//unsafe中public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) { int var5; do { //使用偏移量获取内存中value值 var5 = this.getIntVolatile(var1, var2); //比较并value加+1 } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4)); return var5;}
JAVA实现CAS的原理,unsafe::compareAndSwapInt是借助C来调用CPU底层指令实现的。下面是sun.misc.Unsafe::compareAndSwapInt()方法的源代码:
public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset, int expected, int x);
在多线程场景下CAS会出现ABA问题,例如有2个线程同时对同一个值(初始值为A)进行CAS操作,这三个线程如下
线程1,期望值为A,欲更新的值为B 线程2,期望值为A,欲更新的值为B
线程3,期望值为B,欲更新的值为A
ABA问题带来的危害:
小明在提款机,提取了50元,因为提款机问题,有两个线程,同时把余额从100变为50 线程1(提款机):获取当前值100,期望更新为50, 线程2(提款机):获取当前值100,期望更新为50, 线程1成功执行,线程2某种原因block了,这时,某人给小明汇款50 线程3(默认):获取当前值50,期望更新为100, 这时候线程3成功执行,余额变为100, 线程2从Block中恢复,获取到的也是100,compare之后,继续更新余额为50!!! 此时可以看到,实际余额应该为100(100-50+50),但是实际上变为了50(100-50+50-50)这就是ABA问题带来的成功提交。解决方法
public boolean compareAndSet( V expectedReference,//预期引用 V newReference,//更新后的引用 int expectedStamp, //预期标志 int newStamp //更新后的标志)
自旋CAS(不成功,就一直循环执行,直到成功)如果长时间不成功,会给CPU带来极大的执行开销。
解决方法:
当对一个共享变量执行操作时,我们可以使用循环CAS的方式来保证原子操作,但是对多个共享变量操作时,循环CAS就无法保证操作的原子性
解决方法:
到此这篇关于文章就结束了!
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