En la programación concurrente, a menudo necesitamos lidiar con el acceso multiproceso y la modificación de recursos compartidos. Sin embargo, debido a la ejecución intercalada de múltiples subprocesos, pueden ocurrir condiciones de carrera e inconsistencias de datos. Para resolver estos problemas, Java proporciona una potente primitiva de concurrencia: CAS (Comparar e intercambiar).
El principio de CAS
CAS es una implementación de bloqueo optimista. Compara el valor actual de la variable compartida con el valor esperado y, si es igual, reemplaza el valor actual con el nuevo valor. Las operaciones CAS son atómicas, es decir, solo un subproceso puede realizar operaciones CAS con éxito al mismo tiempo.
Los pasos básicos de CAS son los siguientes:
- Leer el valor actual de una variable compartida.
- Compare el valor actual con el valor esperado.
- Si es igual, reemplace el valor actual con el nuevo valor.
- Si la comparación falla, significa que otros subprocesos han modificado la variable compartida y debe volver a leer el valor actual y volver a intentar la operación.
La operación CAS es una operación sin bloqueo, que evita la competencia y el bloqueo en los mecanismos de bloqueo tradicionales, mejorando así el rendimiento de la concurrencia.
Ventajas de CAS
La operación CAS tiene las siguientes ventajas:
- Eficiencia: en comparación con los mecanismos de bloqueo tradicionales, las operaciones CAS evitan la sobrecarga del bloqueo de subprocesos y el cambio de contexto, lo que proporciona un mayor rendimiento de concurrencia.
- Seguridad de subprocesos: las operaciones de CAS son atómicas, lo que garantiza la coherencia y corrección de las variables compartidas en un entorno de subprocesos múltiples.
- Sin interbloqueo: las operaciones CAS no requieren bloqueo, por lo que no hay problema de interbloqueo.
Desventajas de CAS
Las operaciones CAS también tienen algunas desventajas:
- Problema ABA: la operación CAS solo puede determinar si el valor actual de la variable compartida es igual al valor esperado y no puede detectar el proceso de cambio del valor de la variable compartida. Si la variable compartida sufre múltiples cambios durante la operación y eventualmente regresa al valor esperado, la operación CAS no puede detectar este cambio, lo que puede generar resultados inesperados.
- Giro general: si la operación CAS falla, el subproceso debe seguir intentándolo hasta que la operación CAS tenga éxito. Esto hace que algunos subprocesos queden inactivos, lo que agrega una sobrecarga adicional de CPU.
- Solo se pueden garantizar operaciones atómicas en una única variable: las operaciones CAS solo pueden garantizar operaciones atómicas en una única variable compartida y no pueden garantizar la coherencia entre múltiples variables compartidas.
Para abordar las deficiencias de CAS, se pueden adoptar las siguientes soluciones:
- Utilice números de versión o bits de etiqueta: al introducir números de versión o bits de etiqueta, se puede resolver el problema ABA. Al realizar operaciones CAS, además de comparar valores, también es necesario comparar números de versión o bits de etiqueta para garantizar que el proceso de cambio de variables compartidas se perciba correctamente.
- Limite el número de giros: para evitar la sobrecarga de giros infinitos, puede establecer un límite superior en el número de giros. Una vez superado el número limitado de veces, se utilizan otros mecanismos de sincronización, como bloqueos, para garantizar la seguridad de los subprocesos.
- Utilice otras clases atómicas: para operaciones con múltiples variables compartidas, puede utilizar clases atómicas de nivel superior, como AtomicReference, AtomicIntegerArray, etc., para garantizar la coherencia entre múltiples variables.
Conteo seguro para subprocesos usando CAS
El siguiente es un ejemplo de código de un contador seguro para subprocesos implementado mediante operaciones CAS, que demuestra el uso de CAS:
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
public class Counter {
private AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
public void increment() {
int current;
int next;
do {
current = count.get();
next = current + 1;
} while (!count.compareAndSet(current, next));
}
public int getCount() {
System.out.println("Java面试资料！！！https://cloud.fynote.com/share/d/IYgHWTNA");
return count.get();
}
}
En el ejemplo anterior, hemos definido una Counterclase que se utiliza AtomicIntegercomo variable compartida. AtomicIntegerEs una clase que proporciona operaciones atómicas y el mecanismo CAS se utiliza internamente para garantizar la atomicidad de las operaciones.
En incrementel método, utilizamos la operación CAS para incrementar el contador. Primero obtenga el valor de recuento actual, luego calcule el siguiente valor y luego use compareAndSetel método para intentar reemplazar el valor actual con el nuevo valor. Si la comparación falla, significa que otros subprocesos han modificado el valor del contador y debe volver a leer el valor actual y volver a intentar la operación hasta que la operación CAS sea exitosa.
Al utilizar operaciones CAS, implementamos un contador seguro para subprocesos que evita la contención y el bloqueo en los mecanismos de bloqueo tradicionales.
Resumir
CAS (Compare and Swap) es una poderosa primitiva de concurrencia que se utiliza para resolver condiciones de carrera y problemas de inconsistencia de datos en la programación concurrente. Implementa operaciones concurrentes sin bloqueo comparando el valor actual de la variable compartida con el valor esperado. La operación CAS tiene las ventajas de alta eficiencia, seguridad de subprocesos y ausencia de interbloqueos, pero también tiene las desventajas del problema ABA y la sobrecarga de giro.
Al utilizar racionalmente las operaciones CAS y combinar soluciones, se puede mejorar el rendimiento y la confiabilidad de la programación concurrente. Espero que este artículo te ayude a comprender CAS.