CAS-手写自旋锁

CAS与自旋锁,借鉴CAS思想

什么是自旋锁?

CAS是实现自旋锁的基础,CAS利用CPU指令保证了操作的原子性,以达到锁的效果,至于自旋

锁---字面意思自己旋转。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,当线程发现锁被占用时,会不断循环判断锁的状态,直到获取。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。

底层是do...while循环:

扩展1.1:

理解自旋锁

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,但是并没有执行任何有效的任务,使用这种锁会造成busy-

waiting,也就是线程空转。自旋锁优点是所有线程都是“运行”状态,不需要唤醒线程,速度较快;

不足则是线程的空转导致无谓的资源损耗。针对这类问题也有相关的等待策略进行优化,应对各种

场景,合理利用资源。 

扩展1.2:

所谓自旋锁就是通过while循环实现的,让拿到锁的线程进入临界区执行代码,让没有拿到锁的线

程一直进行while死循环,这其实就是线程自己“旋”在while循环了,因而这种锁就叫做自旋锁。

扩展1.3: 

自旋锁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取尝试获取锁

  • 这样做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。
  • 循环比较获取,直到成功为止,没有类似wait的阻塞。

扩展2:

独占锁是一种悲观锁,synchronized就是一种独占锁,它假设最坏的情况,并且只有在确保其它线

程不会造成干扰的情况下执行,会导致其它所有需要锁的线程挂起,等待持有锁的线程释放锁。而

另一个更加有效的锁就是乐观锁。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

这种乐观的锁叫做无锁,与加锁而言对临界区域是无障碍,通过CAS算法(用多个线程尝试使用

CAS同时更新同一个变量时,只有其中一个线程能更新变量的值,而其它线程都失败,失败的线程

并不会被挂起,而是被告知这次竞争中失败,并可以再次尝试)。CAS操作CPU的指令的操作,

只有一步原子操作,必须要考线程安全的。


自己实现一个自旋锁spinLockDemo

题目:实现一个自旋锁,借鉴CAS思想

通过CAS完成自旋锁,A线程先进来调用lock方法自己持有锁5秒钟,B随后进来后发现当前有

线程持有锁,所以只能通过自旋等待,直到A释放锁后B随后抢到。

public class SpinLockDemo {AtomicReference<Thread> atomicReference = new AtomicReference<>();public void lock() {Thread thread = Thread.currentThread();System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t --------come in");//准备抢占while (!atomicReference.compareAndSet(null, thread)) {//空轮询-> 直到atomicReference为null时,执行CAS,并跳出循环}}public void unLock() {Thread thread = Thread.currentThread();atomicReference.compareAndSet(thread, null);System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t --------task over,unLock.........");}public static void main(String[] args) {SpinLockDemo spinLockDemo = new SpinLockDemo();new Thread(() -> {spinLockDemo.lock();try {TimeUnit.SECONDS.sleep(5);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}spinLockDemo.unLock();}, "A").start();try {TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(500);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}new Thread(() -> {spinLockDemo.lock();spinLockDemo.unLock();}, "B").start();}
}/*** A	 --------come in* B	 --------come in* A	 --------task over,unLock.........* B	 --------task over,unLock.........*///也可以这样new线程
public static void main(String[] args) {SpinLockDemo spinLockDemo = new SpinLockDemo();Thread t1 = new Thread(() -> {spinLockDemo.lock();try {TimeUnit.SECONDS.sleep(5);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}spinLockDemo.unLock();},"A");t1.start();try {TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(500);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}Thread t2 = new Thread(() -> {spinLockDemo.lock();spinLockDemo.unLock();}, "B");t2.start();
}

扩展3:

线程安全之CAS机制详解 

背景介绍:假设现在有一个线程共享的变量c=0,让两个线程分别对c进行c++操作100次,那么我们最后得到的结果是200吗?1.在线程不安全的方式下:结果可能小于200,比如当前线程A取得c的值为3,然后线程A阻塞了,线程B取得的c的值也是3,然后线程B也阻塞了,现在线程A被唤醒执行了++操作使得c=4,结果写回c值内存,线程A执行结束,线程B被唤醒执行了++操作使得3++=4,也写回了c值内存,现在问题来了,两个线程分别进行了一次++操作,最后c值却为4而不是5,所以c值最后的结果肯定是小于200的,产生这种情况的原因就是线程不安全!,两个线程在同一时间读取了c值,然后又没有各种先执行完++操作而被阻塞(就是没有同步)2.在线程安全的方式下:比如++操作加上synchronized同步锁,结果一定是200,因为这样使得读取c值和++操作是一个原子性操作,不能被打断,所以线程是安全的,保证了同步现在问题来了,我们要保证线程安全只有加synchorized同步锁这一种办法吗?synchorized同步锁又有什么缺点呢?当然不仅只有synchorized这一种方法,还有原子操作类,关于原子操作类我们等下再说,先说说synchorized的缺点:syschorized缺点:synchorized的缺点关键在于性能!我们知道synchorized关键字会让没有得到锁资源的线程进入Blocked状态,而在得到锁的资源恢复为Runnable状态,这个过程涉及到操作系统用户模式和内核模式的切换,代价比较高!现在我们来说说原子操作类,顾名思义,就是保证某个操作的原子性,那它是怎么实现的呢?这个我们就要垃圾原子操作类的底层:CAS机制了CAS机制的英文缩写是Compare and Swap,翻译一下就是比较和交换CAS机制中使用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,更新一个变量的时候,只有当变量的旧的预期值A和内存地址V中的值相同的时候,才会将内存地址V中的值更新为新值B下面举个栗子:1)内存地址V中存放着值为10的变量2)此时线程1要把变量值加1,对线程1来说,旧的预期值A=10,要修改的新值B=113)在线程1提交更新之前,另外一个线程2提前一步将内存地址V中的变量值率先更新成了114)线程1此时开始提交更新,首先进行A和内存地址V中的值比较,发现A不等于此时内存地址V中的值11,提交失败5)线程1尝试重新获取内存地址V的当前值,并重新计算想要修改的值,对线程1来说,此时旧的预期值A=11,要修改的新值B=12,这个重新尝试的过程叫做自旋6)这一次比较幸运,没有其他线程更改内存地址V中的值,线程1进行compare,发现A和内存地址V中的值相同7)线程1进行Swap,把内存地址V中的值替换为B,也就是12这个过程涉及到以下几个问题:问题1:如何保证获取的当前值是内存中的最新值?(如果每次获得的当前值不是内存中的最新值,那么CAS机制将毫无意义)用volatile关键字修饰变量,使得每次对变量的修改操作完成后一定会先写回内存,保证了每次获取到值都是内存中的最新值!问题2:如何保证Compare和Swap过程中的原子性(如果Compare和Swap过程不是原子性操作,那么CAS机制也毫无意义)?Compare和Swap过程的原子性是通过unsafe类来实现的,unsafe类为我们提供了硬件级别的原子操作!总结一下:从思想上来说,Synchorized属于悲观锁,悲观的认为程序中的并发多,所以严防死守,CAS机制属于乐观锁,乐观的认为程序中并发少,让线程不断的去尝试更新那么现在又有一个问题来了,CAS机制有什么缺点呢?CAS机制的缺点:1.CPU开销过大:在并发量比较高的情况下,如果许多线程反复尝试去更新一个变量,却又一直更新失败,循环往复,会消耗CPU很多资源2.ABA问题:假设在内存中有一个值为A的变量储存在内存地址V当中,此时有三个线程使用CAS机制更新这个变量的值,每个线程的执行时间都略有偏差,线程1和线程2已经获取当前值,线程3还没有获取当前值。接下来线程1先一步执行成功,把当前值成功从A更新为B,同时线程2因为某种原因被阻塞,没有做更新操作,线程3在线程1更新成功之后获取了当前值B,再之后线程2仍然阻塞,线程3继续执行,成功将当前值更新为A,最后,线程2终于恢复了运行状态,由于线程2之前获取了“当前值A”并且经过了Compare检测,内存地址中的实际值也是A,所以线程2最后把变量A更新成了B,在这个过程中,线程2获取的当前值是一个旧值,尽管和当前值一模一样,但是内存地址中V中的变量已经经历了A->B->A的改变表面看没有什么影响,但是如果实际中理由CAS机制从取款机上取钱,假如账户开始有100元,在取款机上取走50,取款机出现问题一共提交了两次请求(线程1,线程2),第二次请求(线程2)在执行时因为某种原因被阻塞了,这时候有人往你的账户打了50元,线程2恢复了可执行状态,这个时候就会出现问题,原本线程2应该执行失败的,但是比较后仍然与旧值一致,这样就造成了账户实际上扣款了两次!ABA问题解决的方案:在Compare阶段不仅比较预期值和此时内存中的值,还比较两个比较变量的版本号是否一致,只有当版本号一致才进行后续操作,这样就完美的解决了ABA问题!3.不能保证代码块的原子性:CAS机制保证的是一个变量的原子性操作,若要保证多个变量的原子性操作,可以封装在一起,但是这样得不偿失,开销太大,还不如直接采用synchorized同步锁

扩展4:自旋锁Java实现

浅谈自旋锁的Java实现 - 知乎

从零开始自己动手写自旋锁 - 知乎

自旋锁的介绍,手写一个简单的自旋锁

并发开篇——带你从0到1建立并发知识体系的基石

【Java锁】(公平锁、非公平锁、可重入锁、递归锁、自旋锁)谈谈你的理解?手写一个自旋锁 - 简书

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