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  • CAS自旋锁

    2021-05-30 12:05:38
    CAS自旋锁       CAS也即compare and swap 比较并交换       我们经常用的i++,在单线程没有什么问题,但是多线程不安全,这个时候给i加个volatile,也不...

    CAS自旋锁

    1.CAS的应用

          CAS也即compare and swap 比较并交换
          我们经常用的i++,在单线程没有什么问题,但是多线程不安全,这个时候给i加个volatile,也不能保证线程安全.让两个线程同时i++ 100次最终得到的结果是小于200的.因为volatile虽然保证可见性,但是并不保证原子性.如果两个线程同时操作同一个对象会造成数据丢失.
          可以给对象加Synchronized,可以确保线程安全,但是线程会变差 Synchronized关键字会让没有得到锁资源的线程进入阻塞状态,而后在争夺到锁资源后恢复为可运行状态,这个过程中涉及到操作系统用户模式和内核模式的转换,代价比较高。
          这个时候就可以用Atomic原子类可以保证数据的安全性.Atomic操作底层用的就是CAS原理
    在这里插入图片描述
    compareAndSet调用unsafe.compareAndSwapInt,this是dang

    当前对象,valueoffset是地址偏移量,var1是期望值 var2是更改值.通过前两个参数找到当前对象在主内存中的实际值然后与var1进行比较如果相同返回true并将主内存的值设置为var2.如果不相同返回false.
    原子类的++方法在这里插入图片描述
    调用了unsafe类的getAndInt方法.这个方法其实也用了CAS .unsafe类的方法都是native修饰,本地方法栈用汇编指令,CAS是系统原语不可以被打断
    在这里插入图片描述
    先通过前面两个参数获取当前对象的值然后进行比较,直到相同赋值跳出 返回var5

    2.CAS缺点及解决方案

    1.多个线程争夺同一个资源时,如果自旋一直不成功,将会一直占用CPU。造成内存损耗.可以让它超过一定次数或时间后强制退出,
    2.CAS是对单一对象操作的,当对多个共享对象操作时,无法保证原子性,这个时候可以加锁解决,或者把对象封装成一个对象类.
    3.ABA问题 共享对象A的值为1 线程A和B拷贝的副本都是1但是线程B先改变共享对象的值为2 又将它改回去.这个时候线程A再用自旋锁判断还是共享对象A没有发生变化.但是这中间是发生了变化的.无法确定.解决办法:可以给对象加个时间戳或者版本号.利用版本号来判断对象是否发生变化.

    3.自旋锁

    在这里插入图片描述

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  • 一、自旋锁提出的背景由于在多处理器系统环境中有些资源因为其有限性,有时需要互斥访问(mutual exclusion),这时会引入锁的机制,只有获取了锁的进程才能获取资源访问。即是每次只能有且只有一个进程能获取锁,才能...

    一、自旋锁提出的背景

    由于在多处理器系统环境中有些资源因为其有限性,有时需要互斥访问(mutual exclusion),这时会引入锁的机制,只有获取了锁的进程才能获取资源访问。即是每次只能有且只有一个进程能获取锁,才能进入自己的临界区,同一时间不能两个或两个以上进程进入临界区,当退出临界区时释放锁。设计互斥算法时总是会面临一种情况,即没有获得锁的进程怎么办?通常有2种处理方式。一种是没有获得锁的调用者就一直循环在那里看是否该自旋锁的保持者已经释放了锁,这就是自旋锁,他不用将县城阻塞起来(NON-BLOCKING);另一种是没有获得锁的进程就阻塞(BLOCKING)自己,请求OS调度另一个线程上处理器,这就是互斥锁。

    二、自旋锁原理

    跟互斥锁一样,一个执行单元要想访问被自旋锁保护的共享资源,必须先得到锁,在访问完共享资源后,必须释放锁。如果在获取自旋锁时,没有任何执行单元保持该锁,那么将立即得到锁;如果在获取自旋锁时锁已经有保持者,那么获取锁操作将自旋在那里,直到该自旋锁的保持者释放了锁。由此我们可以看出,自旋锁是一种比较低级的保护数据结构或代码片段的原始方式,这种锁可能存在两个问题:

    递归死锁:试图递归地获得自旋锁必然会引起死锁:递归程序的持有实例在第二个实例循环,以试图获得相同自旋锁时,不会释放此自旋锁。在递归程序中使用自旋锁应遵守下列策略:递归程序决不能在持有自旋锁时调用它自己,也决不能在递归调用时试图获得相同的自旋锁。此外如果一个进程已经将资源锁定,那么,即使其它申请这个资源的进程不停地疯狂“自旋”,也无法获得资源,从而进入死循环。

    过多占用cpu资源。如果不加限制,由于申请者一直在循环等待,因此自旋锁在锁定的时候,如果不成功,不会睡眠,会持续的尝试,单cpu的时候自旋锁会让其它process动不了. 因此,一般自旋锁实现会有一个参数限定最多持续尝试次数. 超出后, 自旋锁放弃当前time slice. 等下一次机会

    由此可见,自旋锁比较适用于锁使用者保持锁时间比较短的情况。正是由于自旋锁使用者一般保持锁时间非常短,因此选择自旋而不是睡眠是非常必要的,自旋锁的效率远高于互斥锁。

    三、Java CAS

    CAS是一种系统原语(所谓原语属于操作系统用语范畴。原语由若干条指令组成的,用于完成一定功能的一个过程。primitive or atomic action 是由若干个机器指令构成的完成某种特定功能的一段程序,具有不可分割性·即原语的执行必须是连续的,在执行过程中不允许被中断)。CAS是Compare And Set的缩写。CAS有3个操作数,内存值V,旧的预期值A,要修改的新值B。当且仅当预期值A和内存值V相同时,将内存值V修改为B,否则什么都不做。

    在x86 平台上,CPU提供了在指令执行期间对总线加锁的手段。CPU芯片上有一条引线#HLOCK pin,如果汇编语言的程序中在一条指令前面加上前缀"LOCK",经过汇编以后的机器代码就使CPU在执行这条指令的时候把#HLOCK pin的电位拉低,持续到这条指令结束时放开,从而把总线锁住,这样同一总线上别的CPU就暂时不能通过总线访问内存了,保证了这条指令在多处理器环境中的原子性

    sun.misc.Unsafe是JDK里面的一个内部类,这个类为JDK严格保护,因为他提供了大量的低级的内存操作和系统功能。如果因为错误的使用了这个类,不会有“异常”被扔出,甚至会造成JVM宕机。这也是为什么这个类的名字是Unsafe的原因。因此当使用这个类的时候,你一定要明白你在干什么。这个类中提供了3个CAS的操作

    方法名

    解释

    compareAndSwapInt(Object object, long address, int expected, int newValue)

    比较对象object的某个int型的属性(以地址的方式访问),如果他的数据值是expected,则设定为newValue,返回true;否则返回false

    compareAndSwapLong(Object object, long address, long expected, long newValue)

    比较对象object的某个long型的属性(以地址的方式访问),如果他的数据值是expected,则设定为newValue,返回true;否则返回false

    compareAndSwapLong(Object object, long address, Object expected, Object newValue)

    比较对象object的某个Object型的属性(以地址的方式访问),如果他的数据值是expected,则设定为newValue,返回true;否则返回false

    四、Java自旋锁应用-原子包

    Jdk1.5以后,提供了java.util.concurrent.atomic包,这个包里面提供了一组原子类。其基本的特性就是在多线程环境下,当有多个线程同时执行这些类的实例包含的方法时,具有排他性,即当某个线程进入方法,执行其中的指令时,不会被其他线程打断,而别的线程就像自旋锁一样,一直等到该方法执行完成,才由JVM从等待队列中选择一个另一个线程进入,这只是一种逻辑上的理解。实际上是借助硬件的相关指令来实现的,不会阻塞线程(或者说只是在硬件级别上阻塞了)。其中的类可以分成4组

    AtomicBoolean,AtomicInteger,AtomicLong,AtomicReference

    AtomicIntegerArray,AtomicLongArray

    AtomicLongFieldUpdater,AtomicIntegerFieldUpdater,AtomicReferenceFieldUpdater

    AtomicMarkableReference,AtomicStampedReference,AtomicReferenceArray

    我们来看一段AtomicBoolean中的自旋锁的代码

    public final boolean getAndSet(booleannewValue) {for(;;) {boolean current =get();if(compareAndSet(current, newValue))returncurrent;

    }

    }

    参考

    http://baike.baidu.com/view/1250961.htm?fr=aladdin

    展开全文
  • CAS无锁机制是乐观的一种,乐观假设认为数据一般情况下不会造成冲突,所以在数据进行提交更新的时候,才会正式对数据的冲突与否进行检测,如果发现冲突了,则让返回用户错误的信息,让用户决定如何去做;...

           CAS全称叫做 Compare and swap (比较和交换),CAS无锁机制是乐观锁的一种,也叫自旋锁,CAS假设认为数据一般情况下不会造成冲突,所以在数据进行提交更新的时候,才会正式对数据的冲突与否进行检测,如果发现冲突了,则重新再来一次,无限循环地进行对比,直到没有冲突为止;

     

    Atomic 类就是使用CAS无锁机制实现的类;

    CAS操作依赖底层硬件的CAS指令,CAS指令有两个步骤:冲突检测和更新操作,但是这两个步骤合起来成为一个原子性操作。

    CAS指令需要3个操作数:

    • 需要更新的变量(V)(主内存)
    • 旧的预期值(E)(本地内存)
    • 新值(B)

    CAS指令执行时,首先比较内存位置V(主内存)处的值和E(本地内存)的值是否相等(冲突检测),如果相等,就用新值B(新值)覆盖V(更新操作),否则,就什么也不做。所以,一般循环执行CAS操作,直到成功为止。执行流程如下图

     

    JDK 1.5 之后引进了一个叫做原子类的东西,它们都是以 Atomic 开头的,就拿 AtomicInteger 类来说,底层执行原理如下图:

     

    原子类的常用方法如下

    // 以原子方式将给定值与当前值相加,可用于线程中的计数使用,(返回更新的值)。
    int addAndGet(int delta)
    
    // 以原子方式将给定值与当前值相加,可用于线程中的计数使用,(返回以前的值)
    int getAndAdd(int delta)
    
    // 以原子方式将当前值加 1(返回更新的值)
    int incrementAndGet()
    
    // 以原子方式将当前值加 1(返回以前的值)
    int getAndIncrement() 
    
    // 以原子方式设置为给定值(返回旧值)
    int getAndSet(int newValue)
    
    // 以原子方式将当前值减 1(返回更新的值)
    int decrementAndGet() :
    
    // 以原子方式将当前值减 1(返回以前的值)
    int getAndDecrement()
    
    // 获取当前值
    get()

    还是写个代码例子出来吧

    package com.test;
    import java.util.concurrent.ExecutorService;
    import java.util.concurrent.Executors;
    import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
    /*
      原子类测试
     */
    public class AtomicThreadTest {
    
        //普通int类型
        static int intNum = 0;
        // 原子类
        static AtomicInteger num = new AtomicInteger(0);
    
        public static void main(String[] args) {
            
            // 线程数量
            int threadNum = 10;
    
            ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
            // 创建多个线程进行++运算
            for (int j = 0; j < threadNum; j++) {
                executorService.execute(new Runnable() {
                    @Override
                    public void run() {
                        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                            // 每次将数字 + 1,相当于 i++
                            num.incrementAndGet();
                            intNum++;
                        }
                    }
                });
            }
    
            // 关闭线程池指令,不在接受新任务,待原有任务执行完成后关闭线程池
            executorService.shutdown();
    
            System.out.println("原子类结果:" + num);
            System.out.println("普通int类型结果:" + intNum);
        }
    }
    

     

    看上面的图和例子还是有些抽象,那我们在看看下面这张图,3个线程的执行顺序和内部活动具体执行情况都清楚地描述出来了;

    CAS 存在的问题

    cas 虽然可以很高效地解决原子操作,但是仍然会有三个问题

    1. ABA问题
    2. 循环时间长开销大
    3. 只能保证一个共享变量的原子操作

    1、ABA问题

    因为cas会在更新的时候检查值是否发生变化,没有变化才会更新,但是如果一个值原来是A,变成了B,又变成了A,那么CAS在检查的时候就会认为它的值没有发生变化,但实际上是有变化的。

    ABA问题如何解决?

    ABA的问题的解决思路是使用版本号 version,每次变量更新的时候把版本号 加一,那么 A-B-A 就会变成 A1-B2-A3;可以使用AtomicStampedReference 来解决ABA问题,AtomicStampedReference 可以存放对象,在对象内增加一个version的属性即可;数据库的乐观锁也是用version版本号解决的,在表内增加一个version的字段,每次更新数据时 version + 1, 更新前先比较原版本号是否一致;sql语句如下:

    update table set data = '更新的数据' , version = version + 1 where version = 1

     

    2、循环时间长开销大

    自旋CAS如果长时间不成功,会给CPU带来非常大的执行开销。如果JVM能支持处理器提供的pause指令那么效率会有一定的提升,pause指令有两个作用,第一它可以延迟流水线执行指令(de-pipeline),使CPU不会消耗过多的执行资源,延迟的时间取决于具体实现的版本,在一些处理器上延迟时间是零。第二它可以避免在退出循环的时候因内存顺序冲突(memory order violation)而引起CPU流水线被清空(CPU pipeline flush),从而提高CPU的执行效率。

     

    3、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,这个时候就可以用锁,或者有一个取巧的办法,就是把多个共享变量合并成一个共享变量来操作。比如有两个共享变量i=2,j=a,合并一下ij=2a,然后用CAS来操作ij。从Java1.5开始JDK提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性,你可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作。

     

    cas本身具备原子性吗?

    答:cas本身是具备原子性,cas本身锁的操作是在hotSpot源码中实现的,也就是c++层面的,在hotSpot中的cas逻辑中有这么一行代码:

    #define LOCK_IF_MP(mp)

    这句代码是什么意思呢? 意思是如果你有好多个cpu,就执行如下代码:

    lock cmpxchg

    这个代码意思是lock compare exchange ,锁住这个cpu的北桥信号,属于硬件级别的锁;

    但如果只有一个CPU,就只执行以下代码:

    cmpxchg

    cas底层上锁流程图如下

     

     

     

     

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  • CAS 自旋锁 + java 案例CAS自旋锁CAS 自旋锁文章说明 CAS CAS是compare and swap的缩写,译为比较并交换。 CAS 操作包含三个操作数 —— 内存位置(V)、预期原值(A)和新值(B)。 如果内存位置的值与预期原值相...

    CAS 自旋锁 + java 案例

    CAS

    • CAS是compare and swap的缩写,译为比较并交换
    • CAS 操作包含三个操作数 —— 内存位置(V)、预期原值(A)和新值(B)。 如果内存位置的值与预期原值相匹配,那么处理器会自动将该位置值更新为新值 。否则,处理器不做任何操作。
    • CPU原语,java利用硬件提供的便利来提升系统的性能的一个典例。

    自旋锁

    持有锁的线程与等待竞争锁的线程不需要做内核态和用户态之间的切换进入阻塞状态,只需要循环等待持有锁的线程释放锁,从而避免了用户进程和内核切换的消耗

    因为自旋锁避免了操作系统进程调度和线程切换,所以自旋锁通常适用在时间比较短的情况下

    CAS 自旋锁

    用 CAS 自定义自旋锁并测试

    
    import java.util.concurrent.TimeUnit;
    import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;
    
    /**
     * CAS: 匹配的值是我所期望的值,则原来的值变为新的值
     * 案例体现: T1线程抢占到自旋锁之后,略过锁循环,T2线程却遇到了自旋锁循环,直到T1线程解锁,T2线程才能脱离循环
     * 本质:T1线程抢占锁之后改变了判断值(atomicReference),只有T1线程对象改变回原来的判断值(null)之后其他线程才允许不再自旋,所以不论其他任何的线程进来都无法摆脱自旋从而等待。
     **/
    public class SpinlockDemo {
    	// 原子方式更新对象引用(CAS)
        AtomicReference<Thread> atomicReference =
                new AtomicReference<>();
    
    	// 加锁
        public void myLock() {
            Thread thread = Thread.currentThread();
            System.out.println(thread.getName()
                    + "==> mylock");
    		// 自旋锁
            while (!atomicReference.compareAndSet(null, thread)) {
                try {
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(1L);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("===");
            }
        }
    
    	// 解锁
        public void myUnLock() {
            Thread thread = Thread.currentThread();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()
                    + "==> myUnlock");
            atomicReference.compareAndSet(thread, null);
        }
    }
    
    // 测试
    class TestSpinLock {
    
        public static void main(String[] args) throws
                InterruptedException {
                
            SpinlockDemo lock = new SpinlockDemo();
            // T1线程
            new Thread(() -> {
                lock.myLock();
                try {
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(7);
                    System.out.println("time out");
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    lock.myUnLock();
                }
            }, "T1").start();
            
            // 睡眠保证 T1线程先执行
            TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            
            new Thread(() -> {
                lock.myLock();
                try {
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                    System.out.println("time out");
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    lock.myUnLock();
                }·
            }, "T2").start();
        }
    }
    
    

    执行结果

    T1==> mylock
    T2==> mylock
    ===
    ===
    ===
    ===
    ===
    time out
    T1==> myUnlock
    ===
    time out
    T2==> myUnlock
    

    解释结果

    // 一、T1 线程先执行加锁
    // 二、!atomicReference.compareAndSet(null, thread)false ,因为 V(判断值) 的初始值就是 null
    // 三、退出while循环
    T1==> mylock
    // 一、T2 也希望加锁
    // 二、!atomicReference.compareAndSet(null, thread)true , 因为 V(判断值) 已经更改为 T1 线程对象
    // 三、不是程序期待的值,无法退出循环
    T2==> mylock
    // 开始自旋
    ===
    ===
    ===
    ===
    ===
    // T1 线程执行结束
    time out
    // 一、T1 解锁 , atomicReference.compareAndSet(thread, null);
    // 二、V(判断值) 更改为 null
    // 三、此时自旋锁内的 !atomicReference.compareAndSet(null, thread)false 
    T1==> myUnlock
    ===
    // T2 加锁成功 ,摆脱自旋
    // T2 线程执行结束
    time out
    // T2 线程解锁
    T2==> myUnlock
    

    文章说明

    引用:

    展开全文
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    CAS : 比较并交换(compareAndSet) compareAndSet(期望值,更新值) :期望值与主物理内存比较,如果相同,则更新值 为什么用CAS不用synchronized
  • CAS自旋锁

    2021-04-27 09:55:23
    CAS-自旋锁CAS是什么(CompareAndSet)CAS的使用场景方法1,加锁方法2,使用原子类关于compareAndSet方法详解自旋锁 CAS是什么(CompareAndSet) CAS(Compare and swap)比较和替换是设计并发算法时用到的一种技术。...
  • 1、悲观锁 乐观锁 等待:相当于挂起,也就是阻塞 wait() cpu让出时间片给其他线程使用...3、自旋锁 4、上线文切换 线程上下文切换:可以理解为:cpu和内存之间的一次io,消耗系统资源 5、Synchronized ...
  • CAS(Compare-and-Swap),即比较并替换,java并发包中许多Atomic的类的底层原理都是CAS。 它的功能是判断内存中某个地址的值是否为预期值,如果是就改变成新值,整个过程具有原子性。 具体体现于sun.misc.Unsafe...
  • 所以想着是不是可以直接使用这种方式做一个简单的自旋锁。 AbstractQueuedSynchronizer(AQS)的代码如下: /** * Setup to support compareAndSet. We need to natively implement * this here: For the sake of...
  • CAS就是比较与交换,全称为Compare-And-Swap,使用的Unsafe类+自旋锁思想;他是一条CPU并发原语 原语操作:原语操作是连续的,且执行过程中不允许被打断 CAS并发原语体现在使用java语言的unsafe类中的CAS方法,JVM...
  • 一、什么是CAS CAS,compare and swap的缩写,中文翻译成比较并交换。 我们都知道,在java语言之前,并发就已经广泛存在并在服务器领域得到了大量的应用。所以硬件厂商老早就在芯片中加入了大量直至并发操作的原语,...
  • 自旋锁CAS

    2021-04-19 17:01:08
    为什么叫CAS自旋锁? ...
  • CLH队列cas自旋锁实现

    2021-06-13 15:57:13
    CLH队列中的结点QNode中含有一个locked字段,该字段若为true表示该线程需要获取,且不释放,为false表示线程释放了。结点之间是通过隐形的链表相连,之所以叫隐形的链表是因为这些结点之间没有明显的next指针...
  • 学习地址:狂神Bilibili个人主页 1.什么是自学锁? 是指当一个线程在获取锁的时候,如果锁已经被其它线程获取,那么该线程将循环等待,然后不断的判断锁是否能够...3.自定义自旋锁 import java.util.concurrent.atomic
  • 不会发生指令重排序,保证多线程获取到对象一定是赋值之后的对象 对象赋值三部: volatile 只能保证可见性,不能保证synchronized原子性 Doulbe Check Lock 读写屏障 ###CAS(无锁优化 、乐观) Atomic开头的都是...
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  • Demo说明什么是自旋锁

    2021-10-08 16:40:51
    文章目录概述手写一个自旋锁测试自旋锁执行后的结果 概述 在程序开发中比较常见,所有的线程去争抢一个共同的资源时,为了避免出现超买、超卖等并发问题,此时需要对其进行加锁和解锁操作。 自旋锁在Java源码中和...
  • 实例讲解Java 自旋锁

    2021-03-16 02:31:53
    一直以来不是怎么清楚自旋锁,最近有点时间,好好的学习了一下;所谓的自旋锁在我的理解就是多个线程在尝试获取锁的时候,其中一个线程获取锁之后,其他的线程都处在一直尝试获取锁的状态,不会阻塞!!!那么什么...
  • 自己实现了一个类似AtomicInteger的原子类功能,反复比较并交换,主要用到 反射获取Unsafe及对象的静态成员变量 Unsafe获取地址偏移量 CAS public class MyStudy { public static int data = 0; public static void ...
  • 1.什么是自旋锁自旋锁(spinlock):是指当一个线程在获取锁的时候,如果锁已经被其它线程获取,那么该线程将循环等待,然后不断的判断锁是否能够被成功获取,直到获取到锁才会退出循环。获取锁的线程一直处于活跃状态...
  • Java锁之自旋锁

    2021-02-28 10:16:19
    Java锁之自旋锁自旋锁:spinlock,是指尝试获取锁的线程不会立即阻塞,而是采用循环的方式去尝试获取锁,这样的好处是减少线程上下文切换的消耗,缺点是循环会消耗CPU原来提到的比较并交换,底层使用的就是自旋,...

空空如也

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