非阻塞的同步機制CAS怎么用

這篇文章給大家分享的是有關非阻塞的同步機制CAS怎么用的內容。小編覺得挺實用的，因此分享給大家做個參考，一起跟隨小編過來看看吧。

鎖有什么劣勢

在多線程并發下，可以通過加鎖來保證線程安全性，但多個線程同時請求鎖，很多情況下避免不了要借助操作系統，線程掛起和恢復會存在很大的開銷，并存在很長時間的中斷。一些細粒度的操作，例如同步容器，操作往往只有很少代碼量，如果存在鎖并且線程激烈地競爭，調度的代價很大。
總結來說，線程持有鎖，會讓其他需要鎖的線程阻塞，產生多種風險和開銷。加鎖是一種悲觀方法，線程總是設想在自己持有資源的同時，肯定有其他線程想要資源，不牢牢鎖住資源還不能放心呢。
在硬件的支持下，出現了非阻塞的同步機制，其中一種常用實現就是CAS。

什么是CAS

現代的處理器都包含對并發的支持，其中最通用的方法就是比較并交換（compare and swap），簡稱CAS。

CAS 操作包含三個操作數 —— 內存位置（V）、預期原值（A）和新值(B)。如果內存位置的值與預期原值相匹配，那么處理器會自動將該位置值更新為新值。否則，處理器不做任何操作。無論V值是否等于A值，都將返回V的原值。CAS 有效地說明了：我認為位置 V 應該包含值 A；如果包含該值，則將 B 放到這個位置；否則，不要更改該位置，只告訴我這個位置現在的值即可。

當多個線程嘗試使用CAS同時更新一個變量，最終只有一個線程會成功，其他線程都會失敗。但和使用鎖不同，失敗的線程不會被阻塞，而是被告之本次更新操作失敗了，可以再試一次。此時，線程可以根據實際情況，繼續重試或者跳過操作，大大減少因為阻塞而損失的性能。所以，CAS是一種樂觀的操作，它希望每次都能成功地執行更新操作。

public class SimulationCAS {
private int value;
public synchronized int get() {
return value;
}
public synchronized boolean compareAndSet(int expectedValue, int newValue) {
if (expectedValue == compareAndSwap(expectedValue, newValue)) {
return true;
}
return false;
}
public synchronized int compareAndSwap(int expectedValue, int newValue) {
int oldValue = value;
if (oldValue == expectedValue) {
value = newValue;
}
return oldValue;
}
}

上面的代碼模擬了CAS的操作，其中compareAndSwap是CAS語義的體現，compareAndSet對value進行了更新操作，并返回成功與否。
幾行代碼就實現了CAS，是不是覺得很簡單呢？但你要知道，CAS僅僅告訴你操作結果，操作失敗后一系列重試回退放棄等操作都要自己實現，開發起來遠比使用鎖復雜。

Atom原子類

JVM是支持CAS的，體現在我們常用的Atom原子類，拿AtomicInteger分析一下源碼。

public final int getAndIncrement() {
for (;;) {
int current = get();
int next = current + 1;
if (compareAndSet(current, next))
return current;
}
}

對AtomicInteger進行+1操作，循環里，會將當前值和+1后的目標值傳入compareAndSet，直到成功才跳出方法。compareAndSet是不是很熟悉呢，接著來看看它的代碼。

// setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updates
private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}

compareAndSet調用了unsafe.compareAndSwapInt，這是一個native方法，原理就是調用硬件支持的CAS方法。看懂這個應該就能明白Atom類的原理，其他方法的實現是類似的。

線程池里的CAS

有了CAS的基礎后，可以來研究那段我未看懂的代碼。
提交一個執行任務，線程池會嘗試增加一個工作線程去處理任務。下面是ThreadPoolExecutor里addWorker的一段代碼：

private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
retry:
for (;;) {
int c = ctl.get();
int rs = runStateOf(c);
// Check if queue empty only if necessary.
if (rs >= SHUTDOWN &&
! (rs == SHUTDOWN &&
firstTask == null &&
! workQueue.isEmpty()))
return false;
for (;;) {
int wc = workerCountOf(c);
if (wc >= CAPACITY ||
wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))
return false;
if (compareAndIncrementWorkerCount(c))
break retry;
c = ctl.get(); // Re-read ctl
if (runStateOf(c) != rs)
continue retry;
// else CAS failed due to workerCount change; retry inner loop
}
}

//其他省略

在內循環里，會調用compareAndIncrementWorkerCount方法增加一個工作線程，原理和AtomicInteger的getAndIncrement方法是一樣的。如果增加成功，直接跳出循環，否則在檢查線程池狀態后，再次在內循環調用compareAndIncrementWorkerCount，直到添加成功。

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