Vorwort

Extrateil der Java Concurrent Programming-SerieC A S (Vergleichen und tauschen), der Artikelstil ist immer noch voller Bilder und Texte, leicht zu verstehen, sodass der Leser einen verrückten Dialog mit dem Interviewer führen kann. C A S（Compare and swap），文章風(fēng)格依然是圖文并茂，通俗易懂，讓讀者們也能與面試官瘋狂對(duì)線。

C A S作為并發(fā)編程必不可少的基礎(chǔ)知識(shí)，面試時(shí)C A S也是個(gè)高頻考點(diǎn)，所以說(shuō)C A S是必知必會(huì)，本文將帶讀者們深入理解C A S

C A S ist ein Muss, dieser Artikel wird den Lesern ein tiefgreifendes Verst?ndnis vermittelnC A S. ??

Gliederung

Grundlegende Konzepte von C A S

C A S（compareAndSwap）也叫比較交換，是一種無(wú)鎖原子算法，映射到操作系統(tǒng)就是一條cmpxchg硬件匯編指令（保證原子性），其作用是讓C P U將內(nèi)存值更新為新值，但是有個(gè)條件，內(nèi)存值必須與期望值相同，并且C A SDer Vorgang erfordert kein Umschalten zwischen Benutzermodus und Kernelmodus, und der Speicher wird direkt im Benutzermodus gelesen und geschrieben (bedeutet keine Blockierung/Thread). Kontextwechsel).

它包含V表示待更新的內(nèi)存值，E表示預(yù)期值，N表示新值，當(dāng) V值等于E值時(shí)，才會(huì)將V值更新成N值，如果V值和E值不等，不做更新, 這就是一次3個(gè)參數(shù)C A S（V，E，N），V表示待更新的內(nèi)存值，E表示預(yù)期值，N表示新值，當(dāng) V值等于E值時(shí)，才會(huì)將V值更新成N值，如果V值和E值不等，不做更新，這就是一次C A S的操作。

簡(jiǎn)單說(shuō)，C A S

簡(jiǎn)單說(shuō)，<span style="display: none;"></span>Wie C A S die Atomizit?t gew?hrleistet<p data-tool="mdnice編輯器" style="padding-top: 8px;padding-bottom: 8px;margin: 10px;line-height: 1.75;letter-spacing: 0.2em;font-size: 15px;word-spacing: 0.1em;">Atomizit?t bedeutet, dass eine oder mehrere Operationen in <code style="font-size: 14px;overflow-wrap: break-word;padding: 2px 4px;border-radius: 4px; margin- rechts: 2px;Rand links: 2px;Hintergrundfarbe: rgba(27, 31, 35, 0,05);Schriftfamilie: ?Operator Mono“, Consolas, Monaco, Menlo, Monospace;Wortumbruch: break- all; color: rgb(255, 100, 65);">C P U verfügt über Funktionen, die w?hrend der Ausführung nicht unterbrochen werden k?nnen. Sie werden entweder ausgeführt oder nicht ausgeführt und k?nnen nicht in der Mitte ausgeführt werden (eine, die nicht unterbrochen werden kann). oder eine Folge von Operationen). C P U執(zhí)行的過(guò)程中不被中斷的特性，要么執(zhí)行，要不執(zhí)行，不能執(zhí)行到一半（不可被中斷的一個(gè)或一系列操作）。

為了保證C A S的原子性，C P U提供了下面兩種方式

• 總線鎖定
• 緩存鎖定

總線鎖定

總線（B U S）是計(jì)算機(jī)組件間的傳輸數(shù)據(jù)方式，也就是說(shuō)C P U與其他組件連接傳輸數(shù)據(jù)，就是靠總線完成的，比如C P U

Um sicherzustellen, dass rgba(27, 31, 35, 0,05);Schriftfamilie: ?Operator Mono“, Consolas, Monaco, Menlo, monospace;word-break: break-all;color: rgb(255, 100, 65);">C A S s Atomizit?t, C P U bietet die folgenden zwei Methoden??

• Busschleuse
• Cache-Sperre
ul>

????Bus lock?? ?? ??

??Bus (B U S) ist eine Methode zur Datenübertragung zwischen Computerkomponenten, d. h.C P U verbindet sich mit anderen Komponenten, um Daten zu übertragen, was per Bus erfolgt, wie zum Beispiel

總線鎖定是指C P U使用了總線鎖，所謂總線鎖就是使用C P U提供的LOCK#信號(hào)，當(dāng)C P U在總線上輸出LOCK#信號(hào)時(shí)，其他C P U的總線請(qǐng)求將被阻塞。C P U使用了總線鎖，所謂總線鎖就是使用C P U提供的LOCK#信號(hào)，當(dāng)C P U在總線上輸出LOCK#信號(hào)時(shí)，其他C P U的總線請(qǐng)求將被阻塞。



緩存鎖定

總線鎖定方式雖然保證了原子性，但是在鎖定期間，會(huì)導(dǎo)致大量阻塞，增加系統(tǒng)的性能開(kāi)銷，所以現(xiàn)代C P U為了提升性能，通過(guò)鎖定范圍縮小的思想設(shè)計(jì)出了緩存行鎖定（緩存行是C P U

緩存鎖定

??總線鎖定方式雖然保證了原子性, 但是在鎖定期間, 會(huì)導(dǎo)致大量阻塞, 增加系統(tǒng)的性能開(kāi)銷, 所以現(xiàn)代C P U ??緩存行是Die sogenannte Cache-Sperre bezieht sich auf C P U sperrt die C P U對(duì)緩存行進(jìn)行鎖定，當(dāng)緩存行中的共享變量回寫到內(nèi)存時(shí)，其他C P U會(huì)通過(guò)總線嗅探機(jī)制感知該共享變量是否發(fā)生變化，如果發(fā)生變化，讓自己對(duì)應(yīng)的共享變量緩存行失效，重新從內(nèi)存讀取最新的數(shù)據(jù)，緩存鎖定是基于緩存一致性機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)榫彺嬉恢滦詸C(jī)制會(huì)阻止兩個(gè)以上C P U同時(shí)修改同一個(gè)共享變量（現(xiàn)代C P U基本都支持和使用緩存鎖定機(jī)制）。

C A S的問(wèn)題

C A S和鎖都解決了原子性問(wèn)題，和鎖相比沒(méi)有阻塞、線程上下文你切換、死鎖，所以C A S要比鎖擁有更優(yōu)越的性能，但是C A S同樣存在缺點(diǎn)。

C A SCache-Zeile

, ??und wenn die gemeinsam genutzten Variablen in der Cache-Zeile in den Speicher zurückgeschrieben werden, wird otherC P U erkennt über den Bus-Sniffing-Mechanismus, ob sich die gemeinsam genutzte Variable ge?ndert hat. Wenn ja Wenn sich die entsprechende Cache-Zeile für gemeinsam genutzte Variablen ?ndert, werden die neuesten Daten erneut aus dem Speicher gelesen. Die Cache-Sperre wird basierend auf dem Cache-Konsistenzmechanismus implementiert, da der Cache-Konsistenzmechanismus mehr als zwei C P UGrunds?tzlich alle unterstützen und verwenden den Cache-Sperrmechanismus ??). ??<h1 data-tool="mdnice editor" style="margin-top: 30px;margin-bottom: 15px;font-weight: fett;font-size: 24px;"> <span style="display: none; "></span>C A S-Problem</h1>??<code style="font-size: 14px;overflow-wrap: break-word;padding: 2px 4px;border-radius: 4px;margin-right: 2px; margin- links: 2px;Hintergrundfarbe: rgba(27, 31, 35, 0,05);Schriftfamilie: ?Operator Mono“, Consolas, Monaco, Menlo, Monospace;Wortumbruch: break-all;Farbe: rgb( 255, 100, 65);">C A S und Sperren l?sen beide das Atomizit?tsproblem. Im Vergleich zu Sperren gibt es keine Blockierung, Thread-Kontextumschaltung und Deadlocks, daher C A S hat eine bessere Leistung als Sperren, aberC A SSame Es gibt M?ngel. ????ABA問(wèn)題

只能保證一個(gè)共享變量原子操作

C A S只能針對(duì)一個(gè)共享變量使用，如果多個(gè)共享變量就只能使用鎖了，當(dāng)然如果你有辦法把多個(gè)變量整成一個(gè)變量，利用C A S也不錯(cuò)，例如讀寫鎖中state

??

Nur eine gemeinsam genutzte Variable kann garantiert werden Atomare Operationen

C A S kann nur für eine gemeinsam genutzte Variable verwendet werden. Wenn mehrere gemeinsam genutzte Variablen vorhanden sind, k?nnen Sie nur Sperren verwenden. Natürlich, wenn Sie Es gibt eine M?glichkeit, mehrere Variablen in eine Variable zu integrieren, indem Sie C A S ist auch gut, zum Beispiel in read-write lockDie hohen und niedrigen Zustandsbits. ??

Die Spin-Zeit ist zu lang

Wenn ein Thread die Sperre nicht erh?lt, wird er nicht blockiert und angehalten, sondern versucht nach einer gewissen Zeit erneut, die Sperre zu erlangen Art der Schleifenerfassung Der Mechanismus hei?t Spin Lock (Spinlock). spinlock)。

自旋鎖好處是，持有鎖的線程在短時(shí)間內(nèi)釋放鎖，那些等待競(jìng)爭(zhēng)鎖的線程就不需進(jìn)入阻塞狀態(tài)（無(wú)需線程上下文切換/無(wú)需用戶態(tài)與內(nèi)核態(tài)切換），它們只需要等一等（自旋），等到持有鎖的線程釋放鎖之后即可獲取，這樣就避免了用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的切換消耗。

自旋鎖壞處顯而易見(jiàn)，線程在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)持有鎖，等待競(jìng)爭(zhēng)鎖的線程一直自旋，即CPU一直空轉(zhuǎn)，資源浪費(fèi)在毫無(wú)意義的地方，所以一般會(huì)限制自旋次數(shù)。

最后來(lái)說(shuō)自旋鎖的實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)自旋鎖可以基于C A S實(shí)現(xiàn)，先定義lockValue對(duì)象默認(rèn)值1，1代表鎖資源空閑，0

Der Vorteil der Spin-Sperre besteht darin, dass der Thread, der die Sperre h?lt, die Sperre in kurzer Zeit aufhebt und die Threads, die auf die konkurrierende Sperre warten, nicht in den Blockierungszustand wechseln müssen (??Kein Thread-Kontextwechsel erforderlich/Kein Bedarf für Benutzermodus und Kernelmoduswechsel ), müssen sie nur warten (??spin), bis der Thread, der die Sperre h?lt, die Sperre aufhebt, bevor sie sie erwerben k?nnen, wodurch der Aufwand für den Wechsel zwischen Benutzermodus und vermieden wird Kernel-Modus. ????Die Nachteile von Spin-Sperren liegen auf der Hand, und Threads, die auf konkurrierende Sperren warten, drehen sich weiter, d beschr?nkt. ????Lassen Sie uns abschlie?end über die Implementierung von Spin Lock sprechen. Die Implementierung von Spin Lock kann auf C A S Implementierung, definieren Sie zuerst lockValueObjektstandardwert1,1 bedeutet, dass die Sperrressource frei ist, 0 bedeutet, dass die Sperrressource belegt ist, der Code lautet wie folgt??

public?class?SpinLock?{
????
????//lockValue?默認(rèn)值1
????private?AtomicInteger?lockValue?=?new?AtomicInteger(1);
????
????//自旋獲取鎖
????public?void?lock(){

????????//?循環(huán)檢測(cè)嘗試獲取鎖
????????while?(!tryLock()){
????????????//?空轉(zhuǎn)
????????}

????}
????
????//獲取鎖
????public?boolean?tryLock(){
????????//?期望值1，更新值0，更新成功返回true，更新失敗返回false
????????return?lockValue.compareAndSet(1,0);
????}
????
????//釋放鎖
????public?void?unLock(){
????????if(!lockValue.compareAndSet(1,0)){
????????????throw?new?RuntimeException("釋放鎖失敗");
????????}
????}

}

Die AtomicInteger類型的lockValue變量，AtomicInteger是Java基于C A S實(shí)現(xiàn)的Integer原子操作類，還定義了3個(gè)函數(shù)lock、tryLock、unLock

tryLock-Funktion ist oben definiert – Erwerben Sie die Sperre

• 期望值1,更新值0
• C A S更新C A S更新
• 如果期望值與lockValue值相等，則lockValue值更新為0，返回true，否則執(zhí)行下面邏輯
• 如果期望值與lockValue值不相等，不做任何更新，返回false

如果期望值與lockValue值相等，則lockValue值更新為0，返回lockValueSie k?nnen es auch verwenden : 2px;Rand links: 2px;Hintergrundfarbe: rgba(27, 31, 35, 0,05);Schriftfamilie: ?Operator Mono“, Consolas, Monaco, Menlo, Monospace;Wortumbruch: break-all;Farbe : rgb(255, 100, 65);">false??????????unLock函數(shù)-釋放鎖??

• 期望值0，更新值0，更新值1
• C A S更新
• 如果期望值與lockValue值相等，則lockValue值更新為1，返回true，否則執(zhí)行下面邏輯
• 如果期望值與lockValue值不相等，不做任何更新，返回false

lockValue值相等，則1，返回true，否則執(zhí)行下面邏輯???????? ????如果期望值與false??????????lock函數(shù)-自旋獲取鎖??<ul class="list-paddingleft-2" data-tool="mdnice編輯器" style="margin-top: 8px;margin-bottom: 8px;padding-left: 25px;list-style-type: square;"><li><section style="margin-top: 5px;margin-bottom: 5px;line-height: 26px;color: rgb(1, 1, 1);"><strong style="color: black;">Ausführung<code style='overflow-wrap: break-word;padding: 2px 4px;border-radius: 4px;margin-right: 2px;margin-left: 2px;background-color: rgba(27, 31, 35, 0.05);font-family: "Operator Mono", Consolas, Monaco, Menlo, monospace;word-break: break-all;color: rgb(255, 100, 65);'>tryLock函數(shù)，返回true停止，否則一直循環(huán)

從上圖可以看出，只有tryLock成功的線程（把lockValue更新為0），才會(huì)執(zhí)行代碼塊，其他線程個(gè)tryLock自旋等待lockValue被更新成1，tryLock成功的線程執(zhí)行unLock（把lockValue更新為1），自旋的線程才會(huì)tryLockerfolgreich.

ABA-Problem

C A S需要檢查待更新的內(nèi)存值有沒(méi)有被修改，如果沒(méi)有則更新，但是存在這樣一種情況，如果一個(gè)值原來(lái)是A，變成了B，然后又變成了A，在C A SWenn Sie nachsehen, werden Sie feststellen, dass es nicht ge?ndert wurde.

Angenommen, es gibt zwei Threads, Thread 1讀取到內(nèi)存值A，線程1時(shí)間片用完，切換到線程2，線程2也讀取到了內(nèi)存值A，并把它修改為B值，然后再把B值還原到A值，簡(jiǎn)單說(shuō)，修改次序是A->B->A，接著線程1恢復(fù)運(yùn)行，它發(fā)現(xiàn)內(nèi)存值還是A，然后執(zhí)行C A S操作，這就是著名的ABA ist ein Problem, aber es scheint, dass es kein Problem gibt.

Es handelt sich nur um eine einfache Datenstruktur, daher wird es wirklich keine Probleme geben. Wenn es sich um eine komplexe Datenstruktur handelt, kann es zu Problemen kommen (Verwenden Sie AtomicReference可以把C A S使用在對(duì)象上），以鏈表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為例，兩個(gè)線程通過(guò)C A S去刪除頭節(jié)點(diǎn)，假設(shè)現(xiàn)在鏈表有A->BKnoten

• 線程B節(jié)點(diǎn)成為頭節(jié)點(diǎn)，正要執(zhí)行 2A節(jié)點(diǎn)，B節(jié)點(diǎn)成為頭節(jié)點(diǎn)，正要執(zhí)行C A S(A,A,B)時(shí)，時(shí)間片用完，切換到線程2
• 線程2刪除A、B節(jié)點(diǎn)
• 線程2加入C、A節(jié)點(diǎn)，鏈表節(jié)點(diǎn)變成A->C
• 線程1重新獲取時(shí)間片，執(zhí)行C A S(A,A,B)
• 丟失C
??線程A、B節(jié)點(diǎn)????????線程A->C????????線程C A S(A, A,B)????????丟失Um die L?sung zu findenA B A問(wèn)題也非常簡(jiǎn)單，只要追加版本號(hào)即可，每次改變時(shí)加1，即A —> B —> A，變成1A —> 2B —> 3A，在Java中提供了AtomicStampedRdference可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)方案（面試只要問(wèn)了C A S，就一定會(huì)問(wèn)ABA, muss dies verstanden werden).