Na programação simultânea, muitas vezes precisamos lidar com acesso multithread e modificação de recursos compartilhados. No entanto, devido à execução intercalada de vários threads, podem ocorrer condições de corrida e inconsistências de dados. Para resolver esses problemas, Java fornece uma poderosa primitiva de simultaneidade: CAS (Compare and Swap).
O princípio do CAS
CAS é uma implementação de bloqueio otimista. Compara o valor atual da variável compartilhada com o valor esperado e, se for igual, substitui o valor atual pelo novo valor. As operações CAS são atômicas, ou seja, apenas um thread pode executar operações CAS com êxito ao mesmo tempo.
As etapas básicas do CAS são as seguintes:
- Leia o valor atual de uma variável compartilhada.
- Compare o valor atual com o valor esperado.
- Se for igual, substitua o valor atual pelo novo valor.
- Se a comparação falhar, significa que outros threads modificaram a variável compartilhada e você precisa reler o valor atual e tentar novamente a operação.
A operação CAS é uma operação sem bloqueio, que evita competição e bloqueio nos mecanismos de bloqueio tradicionais, melhorando assim o desempenho da simultaneidade.
Vantagens do CAS
A operação CAS tem as seguintes vantagens:
- Eficiência: Em comparação com os mecanismos de bloqueio tradicionais, as operações CAS evitam a sobrecarga do bloqueio de threads e da alternância de contexto, proporcionando maior desempenho de simultaneidade.
- Segurança de thread: as operações CAS são atômicas, garantindo a consistência e a correção das variáveis compartilhadas em um ambiente multithread.
- Sem impasse: as operações CAS não requerem bloqueio, portanto não há problema de impasse.
Desvantagens do CAS
As operações CAS também apresentam algumas desvantagens:
- Problema ABA: A operação CAS só pode determinar se o valor atual da variável compartilhada é igual ao valor esperado e não pode detectar o processo de alteração do valor da variável compartilhada. Se a variável compartilhada sofrer diversas alterações durante a operação e eventualmente retornar ao valor esperado, a operação CAS não poderá detectar essa alteração, o que poderá levar a resultados inesperados.
- Sobrecarga de rotação: se a operação CAS falhar, o thread precisará continuar tentando até que a operação CAS seja bem-sucedida. Isso faz com que alguns threads fiquem ociosos, adicionando sobrecarga adicional à CPU.
- Somente operações atômicas em uma única variável podem ser garantidas: as operações CAS só podem garantir operações atômicas em uma única variável compartilhada e não podem garantir consistência entre múltiplas variáveis compartilhadas.
Para colmatar as deficiências do CAS, podem ser adotadas as seguintes soluções:
- Use números de versão ou bits de tag: Ao introduzir números de versão ou bits de tag, o problema ABA pode ser resolvido. Ao realizar operações CAS, além de comparar valores, também é necessário comparar números de versão ou bits de tag para garantir que o processo de mudança de variáveis compartilhadas seja percebido corretamente.
- Limite o número de rodadas: Para evitar a sobrecarga de rodadas infinitas, você pode definir um limite superior para o número de rodadas. Após o número limitado de vezes ser excedido, outros mecanismos de sincronização, como bloqueios, são usados para garantir a segurança do thread.
- Use outras classes atômicas: para operações em múltiplas variáveis compartilhadas, você pode usar classes atômicas de nível superior, como AtomicReference, AtomicIntegerArray, etc., para garantir consistência entre múltiplas variáveis.
Contagem segura de threads usando CAS
A seguir está um exemplo de código de um contador thread-safe implementado usando operações CAS, demonstrando o 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();
}
}
No exemplo acima, definimos uma Counterclasse que usa AtomicIntegercomo variável compartilhada. AtomicIntegerÉ uma classe que fornece operações atômicas.O mecanismo CAS é usado internamente para garantir a atomicidade das operações.
No incrementmétodo, usamos a operação CAS para incrementar o contador. Primeiro obtenha o valor de contagem atual, depois calcule o próximo valor e, em seguida, use compareAndSeto método para tentar substituir o valor atual pelo novo valor. Se a comparação falhar, significa que outros threads modificaram o valor do contador e você precisará reler o valor atual e tentar novamente a operação até que a operação CAS seja bem-sucedida.
Ao usar operações CAS, implementamos um contador thread-safe que evita contenção e bloqueio em mecanismos de bloqueio tradicionais.
Resumir
CAS (Compare and Swap) é uma primitiva de simultaneidade poderosa usada para resolver condições de corrida e problemas de inconsistência de dados em programação simultânea. Ele implementa operações simultâneas sem bloqueio comparando o valor atual da variável compartilhada com o valor esperado. A operação CAS tem as vantagens de alta eficiência, segurança de thread e ausência de deadlock, mas também tem as desvantagens do problema ABA e da sobrecarga de spin.
Ao usar racionalmente as operações CAS e combinar soluções, o desempenho e a confiabilidade da programação simultânea podem ser melhorados. Espero que este artigo ajude você a entender o CAS.