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CAS-操作在并发编程中的应用与问题分析 (CAS操作详解)

admin1个月前 (04-16)数码21

简介

CAS(Compare and Swap)操作是一种基于硬件指令实现的原子操作,可以在不使用传统互斥锁的情况下,保证多线程对共享变量的安全访问。在Java中,我们可以使用Atomic类和AtomicReference类来实现CAS操作,这些类提供了一系列原子更新方法,如compareAndSet、getAndSet、incrementAndGet等。

CAS操作的原理

CAS操作包含三个参数: 期望值: 当前共享变量的预期值。 更新值: 如果共享变量的值等于期望值,则将其更新为该值。 共享变量: 要更新的共享变量。 CAS操作的执行过程如下: 1. 读取共享变量的当前值。 2. 比较当前值与期望值是否相等。 3. 如果相等,则将共享变量的值更新为更新值。 4. 如果不相等,则CAS操作失败,不更新共享变量的值。

CAS操作的应用

CAS操作在多线程并发访问共享变量的场景中,可以有效地保证数据的一致性和线程安全性。在实际应用中,CAS操作可以用于实现以下场景: 数据库事务控制: CAS操作可以用于实现乐观锁,提高并发性能。多个事务可以尝试以CAS方式来更新数据库中的某个值,如果期望值没有发生变化,CAS操作会成功,否则会失败。这种机制避免了传统的悲观锁机制,从而提高了并发性能。 分布式锁: 在分布式系统中,CAS操作也可以用于实现分布式锁。多个节点可以竞争获取锁,使用CAS操作来尝试设置一个标志位,成功则获得锁,失败则表示其他节点已经获得锁。这种方式可以避免死锁和降低锁竞争的代价,提高了分布式系统的并发性能和可靠性。 无锁数据结构: CAS操作还可以用于实现各种无锁数据结构,如无锁队列、无锁堆栈、无锁哈希表等。这些数据结构允许多个线程并发地访问共享数据,而无需使用传统的锁机制,从而提高了并发性能。通过CAS操作,可以避免传统锁机制中的线程阻塞和唤醒操作,提高了系统的吞吐量和响应速度。

CAS操作的优点

CAS操作具有以下优点: 无锁: CAS操作是无锁的,不会导致线程阻塞和唤醒,可以提高系统的并发性能和吞吐量。 原子性: CAS操作是原子的,要么成功要么失败,不会出现数据不一致的情况。 简单易用: CAS操作的API简单易用,可以方便地集成到并发程序中。

CAS操作的限制

CAS操作也存在一些限制: 硬件支持: CAS操作需要硬件的支持,不是所有的平台和处理器都能够完全支持CAS指令,因此在一些旧的或特定的硬件平台上可能无法使用CAS机制。 ABA问题: 在高并发情况下,CAS操作可能会出现ABA问题,即在执行CAS操作时,共享变量的值可能已经被其他线程修改过了,导致CAS操作成功但实际上并没有达到预期的效果。针对这个问题,可以使用版本号或标记位来解决。

结论

CAS操作是一种重要的并发编程技术,可以在多线程并发访问共享变量的场景中,保证数据的一致性和线程安全性。在实际应用中,CAS操作可以用于实现数据库事务控制、分布式锁和无锁数据结构等,提高系统的并发性能和吞吐量。在使用CAS操作时,需要注意其存在的问题和限制,针对不同的应用场景进行合理的选择和优化,才能更好地满足多线程并发访问共享变量的需求。

每日一问:谈谈 synchronized 和 CAS 机制

昨天的文章我们针对 Java 语言的happends-before 原则做了一个非常简单的表述,以致于有同学提到我这个话语的严谨性问题。而这个原则在 Java 语言里面非常重要,以致于我必须重新引用一下相关书籍的话来进行论述。

happends-before 先行发生原则是 Java 内存模型中定义的两项操作之间的偏序关系,如果说操作 A 先行发生于操作 B,那么操作 A 产生的影响一定应该被操作 B 所观察到。

而对于我们volatile保证的可见性,synchronized和final关键字也同样可以做到。那我们今天就来简单讲一下我们非常常用的synchronized和似乎在 Android 中少有听到的 CAS 机制。

synchronized采用的是 CPU 悲观锁机制,即线程获得的是独占锁。独占锁就意味着 其他线程只能依靠阻塞来等待线程释放锁 。而在 CPU 转换线程阻塞时会引起线程上下文切换,当有很多线程竞争锁的时候,会引起 CPU 频繁的上下文切换导致效率很低。尽管 Java1.6 为synchronized做了优化,增加了从偏向锁到轻量级锁再到重量级锁的过度,但是在最终转变为重量级锁之后,性能仍然较低。

CAS 是英文单词 Compare And Swap 的缩写,翻译过来就是比较并替换。它当中使用了3个基本操作数:内存地址 V,旧的预期值 A,要修改的新值 B。采用的是一种乐观锁的机制,它不会阻塞任何线程,所以在效率上,它会比synchronized要高。所谓乐观锁就是: 每次不加锁而是假设没有冲突而去完成某项操作,如果因为冲突失败就重试,直到成功为止。

所以,在并发量非常高的情况下,我们尽量的用同步锁,而在其他情况下,我们可以灵活的采用 CAS 机制。

在包下,一系列以Atomic开头的包装类。例如 AtomicBoolean , AtomicInteger , AtomicLong等,它们就是典型的利用 CAS 机制实现的原子操作类。

此外, Lock系列类的底层实现以及 Java 1.6 在synchronized转换为重量级锁之前,也会采用到 CAS 机制。

关于 CAS 机制的更多相关信息请移步:漫画:什么是CAS机制?(进阶篇)

cas属于乐观锁

cas属于乐观锁如下:

CAS乐观锁经常在Java面试被问到,比如:CAS乐观锁的实现以及使用等,下面我就重点详解CAS乐观锁。

CAS乐观锁的定义

CAS是一种乐观锁机制,也被称为无锁机制。全称:Compare-And-Swap。它是并发编程中的一种原子操作,通常用于多线程环境下实现同步和线程安全。

CAS操作通过比较内存中的值与期望值是否相等来确定是否执行交换操作。如果相等,则执行交换操作,否则不执行。由于CAS是一种无锁机制,因此它避免了使用传统锁所带来的性能开销和死锁问题,提高了程序的并发性能。

CAS乐观锁的作用

在并发编程中,当多个线程同时访问共享资源时,如果不进行同步控制,就会出现数据不一致的情况。传统的同步机制包括使用锁,如Synchronized、ReentrantLock等,或者使用Volatile关键字等。

这些机制虽然可以保证数据一致性和线程安全性,但也存在一些问题,比如锁的开销和线程阻塞等,导致程序的并发性能受到影响。而CAS乐观锁机制则是一种不使用锁的同步机制,它避免了锁机制的开销和线程阻塞,提高了并发性能。

CAS操作通过比较内存中的值与期望值是否相等来确定是否执行交换操作。如果相等,则执行交换操作,否则不执行。由于CAS是一种乐观的机制,它避免了线程的阻塞,提高了程序的并发性能。

并发编程

因此,CAS乐观锁在并发编程中具有重要的作用,它可以提高系统的并发性能和吞吐量,同时保证数据的一致性和线程安全性。

CAS乐观锁实现原理

CAS(Compare-And-Swap)乐观锁的实现原理主要是:通过比较并替换操作来实现数据的同步。CAS操作包括三个操作数:内存位置(V)、预期原值(A)和新值(B)。当执行CAS操作时,只有当V的值等于A时,才会将V的值更新为B,否则不做任何操作。

CAS操作是原子性的,也就是说在同一时刻只能有一个线程执行CAS操作,因此CAS机制保证了数据的一致性。Java的并发包中,CAS机制是通过Unsafe类提供的compareAndSwapXXX()方法实现的。

这些方法包括用于比较并交换相应类型的数据。在执行CAS操作时,会将当前内存中的值与预期原值进行比较,如果相等,则将新值写入内存位置中,否则不做任何操作。

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