首页 > 大厂高频面试题:谈谈你对多线程CAS的理解?
头像
#半情调
编辑于 2021-03-07 23:58
+ 关注

大厂高频面试题:谈谈你对多线程CAS的理解?

1.什么是CAS,如何保证线程安全?

CAS是英文单词CompareAndSwap的缩写,中文意思是:比较并替换。CAS需要有3个操作数:内存地址V,旧的预期值A,即将要更新的目标值B。它的功能是判断内存某个位置的值是否为预期值,如果是则更改为新的值,这个过程是原子操作。

CAS指令执行时,当且仅当内存地址V的值与预期值A相等时,将内存地址V的值修改为B,否则不做替换操作。当使用CAS替换新值不成功时,自旋,重新获得原值和新值再试一次直到成功为止。

CAS并发原语体现在JAVA语言中就是sun.misc.Unsafe类中的各个方法,调用Unsafe类中的CAS方法,JVM会帮我们实现出CAS汇编指令。这是一种完全依赖于硬件的功能,通过它实现了原子操作。再次强调,由于CAS是一种系统原语,原语属于操作系统用语范畴,是由若干条指令组成的,用于完成某个功能的一个过程,并且原语的执行必须是连续的,在执行过程中不允许被中断,也就是说CAS是一条CPU的原子指令,不会造成所谓的数据不一致问题。(简单说,原语就是连续执行的,可以保证线程安全)

2.getAndIncrement()底层原理?


public final int getAndIncrement() {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
}
this指当前对象,valueOffset代表内存偏移量,表示该变量值在内存中的偏移地址,因为Unsafe就是根据内存偏移地址获取数据的。
public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
    int var5;
    do {
        var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
    } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));

    return var5;
}
var1是AtomicInteger对象本身,var2是该对象值的引用地址,var4需要变动的数量,var5是用过var1和var2找出的主内存中真实值。

用该对象当前的值和var5比较,如果相同,更新var5+var4并且返回true,如果不同,继续取值然后再比较,直到更新完成

缺点:循环时间长,开销大,因为如果CAS失败,会一直进行尝试,如果CAS长时间一直不成功,可能会给CPU带来很大的开销。

3.Unsafe类

Unsafe是CAS的核心类,由于Java方法无法直接访问底层系统,需要通过本地(native)方法来访问,Unsafe相当于一个后门,基于该类可以直接操作特定内存的数据。Unsafe类存在于sun.misc包中,其内部方法操作可以像C指针一样直接操作内存,因为Java中CAS操作的执行依赖于Unsafe类的方法。

注意:Unsafe类中的所有方法都是native修饰的,也就是说Unsafe类中的方法都直接调用操作系统底层资源执行相应任务。

4.CAS缺点

1.循环时间长,开销大,例如getAndAddInt方法执行时,如果CAS失败,会一直进行尝试。如果CAS长时间一直不成功,可能会给CPU带来很大的开销;

2.只能保证一个共享变量的原子性,对于多个共享变量的操作,循环CAS无法保证操作的原子性,这个时候就需要加锁来保证原子性;

3.产生ABA问题。

5.什么是ABA问题?

  • 当线程1从内存位置V中取出A,这个时候线程2也从内存中取出A
  • 线程2进行了一些操作将值改为了B,然后线程2又将V位置的数据改回为A。
  • 而线程1的执行时间比线程2长,当线程1完成CAS操作后准备写回内存地址V时,发现内存中仍然是A,然后线程1操作成功。

尽管线程1的CAS操作成功,但是不代表这个过程是没有问题的。

只管头和尾,不管中间操作。如果业务场景不在意ABA问题,也就无所谓了。但是要在意ABA问题,就不行。

举一个场景:

一家火锅店为了生意推出了一个特别活动,凡是在五一期间的老用户凡是卡里余额小于20的,赠送10元,但是这种活动每人只可享受一次。如果用CAS技术,先去用户卡里的余额,然后包装成AtomicInteger,写一个判断,开启10个线程,然后判断小于20的,一律加10。
假设有个线程A去判断账户里的钱此时是15,满足条件,直接+10,这时候卡里余额是25.但是此时不巧,正好在连锁店里,这个客人正在消费,又消费了10,此时卡里余额又为15,线程B去执行扫描账户的时候,发现它又小于20,又用cas给它加了10,这样的话就相当于加了两次!

6.如何解决ABA问题?

增加版本号来标记,改一次,版本号增加1。可以使用AtomicStampedReference的compareAndSet()。

ABA问题代码显示:
public class ABADemo {
    private static AtomicInteger atomicInt = new AtomicInteger(100);
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(new Runnable() { @Override public void run() {
                atomicInt.compareAndSet(100, 101);
                atomicInt.compareAndSet(101, 100);
            }
        });
        Thread t2 = new Thread(new Runnable() { @Override public void run() {
                try {
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);   //暂停一秒,待线程1执行完
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                boolean c3 = atomicInt.compareAndSet(100, 101);
                System.out.println(c3); // true
            }
        });
        t1.start();
        t2.start();
    }
}
ABA问题解决:
public class SaveABADemo {
    private static AtomicStampedReference<Integer> atomicStampedRef = new AtomicStampedReference<Integer>(100, 0);

    public static void main(String[] args) {
        Thread t3 = new Thread(new Runnable() { @Override public void run() {
                try {
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                atomicStampedRef.compareAndSet(100, 101, atomicStampedRef.getStamp(), atomicStampedRef.getStamp() + 1);
                atomicStampedRef.compareAndSet(101, 100, atomicStampedRef.getStamp(), atomicStampedRef.getStamp() + 1);
            }
        });

        Thread t4 = new Thread(new Runnable() { @Override public void run() {
                int stamp = atomicStampedRef.getStamp();                 //获取初始版本号
                System.out.println("before sleep : stamp = " + stamp);
                try {
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("after sleep : stamp = " + atomicStampedRef.getStamp());   //线程3执行完后版本号改变
                boolean c3 = atomicStampedRef.compareAndSet(100, 101, stamp, stamp + 1);
                System.out.println(c3); // false
            }
        });
        t3.start();
        t4.start();
    }
}



全部评论

(3) 回帖
加载中...
话题 回帖

推荐话题

相关热帖

热门推荐