【JavaEE初阶】CAS(比较和交换)
目录
🌲 什么是 CAS
🌳 CAS的应用
🚩 实现原子类
🚩 实现自旋锁
🎄 CAS 的 ABA 问题
🚩 什么是 ABA 问题
🚩 ABA 问题引来的 BUG
🚩 解决方案
🍀CAS相关面试题
🌲 什么是 CAS
CAS: 全称Compare and swap，字面意思:"比较并交换"
这是一条 cpu 指令，就可以完成比较和交换这样的一套操作，那么对于cpu的一条指令操作，我们知道这是"原子的"，这就给我们编写线程安全的代码，打开了新世界的大门。
CAS的流程：
我们假设内存中的原数据V，旧的预期值A，需要修改的新值B。
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比较 A 与 V 是否相等。（比较）
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如果比较相等，将 B 写入 V。（交换）
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返回操作是否成功
CAS就类似于我们之前讲的Synchronized关键字，都是将操作变为原子性，但是呢，CAS只适用于一些特殊场景，并不通用
CAS的好处：
- 当多个线程同时对某个资源进行CAS操作，只能有一个线程操作成功，但是并不会阻塞其他线程,其他线程只会收到操作失败的信号。
关于CAS是属于我们讲的那一种锁策略？
我们可以将CAS 视为是一种乐观锁. (或者可以理解成 CAS 是乐观锁的一种实现方式
🌳 CAS的应用
🚩 实现原子类
标准库中提供了 java.util.concurrent.atomic 包, 里面的类都是基于这种方式来实现的.
典型的就是 AtomicInteger 类.
里面提供了很多方法可以供操作
其中的 getAndIncrement 相当于 i++ 操作.
代码：
这就是使用原子类代替了普通int的 i++，此处的代码是没有用到任务加锁操作，那么代码就没有阻塞等待，使代码以更高的效率来执行程序。通过形如上述代码就可以实现一个原子类. 不需要使用重量级锁, 就可以高效的完成多线程的自增操作.
🚩 实现自旋锁
自旋锁是基于 CAS 实现更灵活的锁, 获取到更多的控制权.
自旋锁的伪代码如下：
利用上述伪代码的思想就可以实现一个自旋锁了
CAS操作虽然好用，但是也存在一些问题
🎄 CAS 的 ABA 问题
🚩 什么是 ABA 问题
ABA问题：
属于 CAS 的一个重要注意事项。
假设存在两个线程 t1 和 t2. 有一个共享变量 num, 初始值为 A.
接下来, 线程 t1 想使用 CAS 把 num 值改成 Z, 那么就需要
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先读取 num 的值, 记录到 oldNum 变量中.
-
使用 CAS 判定当前 num 的值是否为 A, 如果为 A, 就修改成 Z.
但是, 在 t1 执行这两个操作之间, t2 线程可能把 num 的值从 A 改成了 B, 又从 B 改成了 A
- 线程 t1 的 CAS 是期望 num 不变就修改. 但是 num 的值已经被 t2 给改了. 只不过又改成 A 了. 这个时候 t1 究竟是否要更新 num 的值为 Z 呢?
到这一步, t1 线程无法区分当前这个变量始终是 A, 还是经历了一个变化过程
🚩 ABA 问题引来的 BUG
大部分的情况下, t2 线程这样的一个反复横跳改动, 对于 t1 是否修改 num 是没有影响的. 但是不排除一些特殊情况
接下来我为大家举一个例子：
滑稽老铁进行取款，在取款过程中，发生了bug，按了一下取款，卡了一下紧接着又按了一下取款，此时产生了两个线程来执行上述扣款操作
- 我们期望一个线程执行 -500 成功,
- 另一个线程 -500 失败.
此时的代码是没有问题的，我们来引入ABA场景。当我们在取钱的时候（t2扣款完毕），另一个人（t3）正好给滑稽老铁转了500.
- t2扣款1000->500,t3转载 500->1000(ABA问题 A->B->A)
那么如果t1的执行逻辑在t3之后，此时看到的就是balance仍然是1000，那么t1中的比较就成立了，即t1又会扣款一次，导致取出来500，之际上余额扣了1000，这就是很严重的bug~~
🚩 解决方案
给要修改的值, 引入版本号. 在 CAS 比较数据当前值和旧值的同时, 也要比较版本号是否符合预期.
CAS 操作在读取旧值的同时, 也要读取版本号.
真正修改的时候
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如果当前版本号和读到的版本号相同, 则修改数据, 并把版本号 + 1.
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如果当前版本号高于读到的版本号. 就操作失败(认为数据已经被修改过了)
这就好比, 判定这个手机是否是翻新机, 那么就需要收集每个手机的数据, 第一次挂在电商网站上的手机记为版本1,以后每次这个手机出现在电商网站上, 就把版本号进行递增. 这样如果买家不在意这是翻新机, 就买. 如果买家在意, 就可以直接略过
我们再来利用版本号来解决一下滑稽老铁的问题
- 假设 滑稽老铁 有 1000 存款.滑稽老铁想从 ATM 取 500 块钱. 取款机创建了两个线程, 并发的来执行 -500操作.我们期望一个线程执行 -500 成功, 另一个线程 -500 失败.为了解决 ABA 问题, 给余额搭配一个版本号, 初始设为 1.
- 存款 1000. 线程1 获取到 存款值为 1000, 版本号为 1, 期望更新为 500; 线程2 获取到存款值为 1000,版本号为 1, 期望更新为 500.
- 线程1 执行扣款成功, 存款被改成 500, 版本号改为2. 线程2 阻塞等待中.
- 在线程2 执行之前,滑稽的朋友正好给滑稽转账 500, 账户余额变成 1000, 版本号变成3.
- 轮到线程2 执行了, 发现当前存款为 1000, 和之前读到的 1000 相同, 但是当前版本号为 3, 之前读到的版本号为 1, 版本小于当前版本, 认为操作失败.
取款：
存款：
在 Java 标准库中提供了 AtomicStampedReference 类. 这个类可以对某个类进行包装, 在内部就提供了上面描述的版本管理功能.关于 AtomicStampedReference 的具体用法此处不再展开
🍀CAS相关面试题
1.讲解下你自己理解的 CAS 机制
全称 Compare and swap, 即 “比较并交换”. 相当于通过一个原子的操作, 同时完成 “读取内存, 比 较是否相等,修改内存” 这三个步骤. 本质上需要 CPU 指令的支撑
2.ABA问题怎么解决？
给要修改的数据引入版本号. 在 CAS 比较数据当前值和旧值的同时, 也要比较版本号是否符合预期. 如果发现当前版本号和之前读到的版本号一致, 就真正执行修改操作, 并让版本号自增; 如果发现当 前版本号比之前读到的版本号大, 就认为操作失败