无锁算法
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ABA
字数2868 2021-04-03T11:46:30

An Introduction to Lock-Free Programming

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techniques

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其他

一、无锁算法

CAS(比较与交换,Compare and swap) 是一种有名的无锁算法。无锁编程,即不使用锁的情况下实现多线程之间的变量同步,也就是在没有线程被阻塞的情况下实现变量的同步,所以也叫非阻塞同步(Non-blocking Synchronization)。实现非阻塞同步的方案称为“无锁编程算法”( Non-blocking algorithm)。 相对应的,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。 使用lock实现线程同步有很多缺点:

当然在部分情况下,目前来看,无锁编程并不能替代 lock。

二、实现级别

非同步阻塞的实现可以分成三个级别:wait-free/lock-free/obstruction-free。

三、CAS算法

CAS(比较与交换,Compare and swap) 是一种有名的无锁算法。CAS, CPU指令,在大多数处理器架构,包括IA32、Space中采用的都是CAS指令,CAS的语义是“我认为V的值应该为A,如果是,那么将V的值更新为B,否则不修改并告诉V的值实际为多少”,CAS是项 乐观锁 技术,当多个线程尝试使用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。 java.util.concurrent.atomic中的AtomicXXX,都使用了这些底层的JVM支持为数字类型的引用类型提供一种高效的CAS操作,而在java.util.concurrent中的大多数类在实现时都直接或间接的使用了这些原子变量类,这些原子变量都调用了 sun.misc.Unsafe 类库里面的 CAS算法,用CPU指令来实现无锁自增,JDK源码:

public final int getAndIncrement() {  
        for (;;) {  
            int current = get();  
            int next = current + 1;  
            if (compareAndSet(current, next))  
                return current;  
        }  
}  

public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {  
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);  
}

因而在大部分情况下,java中使用Atomic包中的incrementAndGet的性能比用synchronized高出几倍。

四、ABA问题

thread1意图对val=1进行操作变成2,cas(val,1,2)。 thread1先读取val=1;thread1被抢占(preempted),让thread2运行。 thread2 修改val=3,又修改回1。 thread1继续执行,发现期望值与“原值”(其实被修改过了)相同,完成CAS操作。 使用CAS会造成ABA问题,特别是在使用指针操作一些并发数据结构时。 解决方案 ABAʹ:添加额外的标记用来指示是否被修改。 从Java1.5开始JDK的atomic包里提供了一个类AtomicStampedReference来解决ABA问题。这个类的compareAndSet方法作用是首先检查当前引用是否等于预期引用,并且当前标志是否等于预期标志,如果全部相等,则以原子方式将该引用和该标志的值设置为给定的更新值。

CAS引发的两个问题

CAS 操作包含三个操作数 —— 内存位置(V)、预期原值(A)和新值(B)。如果内存地址里面的值和A的值是一样的,那么就将内存里面的值更新成B。CAS是通过无限循环来获取数据的,若果在第一轮循环中,a线程获取地址里面的值被b线程修改了,那么a线程需要自旋,到下次循环才有可能机会执行。

在JVM中的CAS操作就是基于处理器的CMPXCHG汇编指令实现的,因此,JVM中的CAS的原子性是处理器保障的。

ABA问题

ABA问题是指在CAS操作时,其他线程将变量值A改为了B,但是又被改回了A,等到本线程使用期望值A与当前变量进行比较时,发现变量A没有变,于是CAS就将A值进行了交换操作,但是实际上该值已经被其他线程改变过,这与乐观锁的设计思想不符合。ABA问题的解决思路是,每次变量更新的时候把变量的版本号加1,那么A-B-A就会变成A1-B2-A3,只要变量被某一线程修改过,改变量对应的版本号就会发生递增变化,从而解决了ABA问题。

CAS自旋导致的开销

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。

解决方法:破坏掉for死循环,当超过一定时间或者一定次数时,return退出。JDK8新增的LongAddr,和ConcurrentHashMap类似的方法。当多个线程竞争时,将粒度变小,将一个变量拆分为多个变量,达到多个线程访问多个资源的效果,最后再调用sum把它合起来。