Java의 CAS 작업 분석

이 기사는 Java 프로그래밍에서 CAS 연산의 개념, 원리 및 사용법을 예제를 통해 분석합니다. 여기에는 특정 참조 가치가 있으며 도움이 필요한 친구들이 이에 대해 배울 수 있습니다.

CAS는 메모리의 공유 데이터에 대해 작동하는 최신 CPU에서 널리 지원되는 특수 명령어를 나타냅니다. 이 명령어는 메모리의 공유 데이터에 대해 원자성 읽기 및 쓰기 작업을 수행합니다.

이 명령어의 연산 과정에 대한 간략한 소개: 먼저 CPU는 메모리에서 변경될 데이터와 예상 값을 비교합니다. 그런 다음 두 값이 동일하면 CPU는 메모리에 있는 값을 새로운 값으로 대체합니다. 그렇지 않으면 아무 작업도 수행되지 않습니다. 마지막으로 CPU는 이전 값을 반환합니다. 이 일련의 작업은 원자적입니다. 복잡해 보이지만 이것이 Java 5 동시성 메커니즘이 원래 잠금 메커니즘보다 나은 근본적인 이유입니다. 간단히 말해서 CAS의 의미는 "원래 값이 어떻게 되어야 한다고 생각합니까? 그렇다면 원래 값을 새 값으로 업데이트하고, 그렇지 않으면 수정하지 말고 원래 값이 무엇인지 알려주세요."입니다. (이 설명은 "Java Concurrent 프로그래밍 실습"에서 인용했습니다.)

간단히 말하면 CAS에는 3개의 피연산자가 있는데, 메모리 값 V, 이전 기대 값 A, 수정될 새 값 B입니다. 기대값 A와 메모리 값 V가 동일한 경우에만 메모리 값 V를 B로 수정하고, 그렇지 않으면 V를 반환합니다. 이는 수정되기 전에 다른 스레드가 수정하지 않을 것이라고 믿는 낙관적 잠금 아이디어입니다. 비관적 잠금 효율성은 매우 낮습니다.

아래의 간단한 예를 보세요:

if(a==b) { 
  a++; 
}

a++를 수행하기 전에 a의 값이 변경되면 어떻게 될까요? a++가 아직 실행 중인가요? 이 문제가 발생하는 이유는 멀티스레드 환경에서 a의 값이 불확실한 상태이기 때문입니다. 잠금 장치는 이러한 문제를 해결할 수 있지만 CAS는 잠금 장치 없이도 문제를 해결할 수 있습니다.

int expect = a; 
if(a.compareAndSet(expect,a+1)) { 
  doSomeThing1(); 
} else { 
  doSomeThing2(); 
}

이렇게 하면 a 값이 변경되면 a++가 실행되지 않습니다.

위의 작성 방법에 따르면 a!=expect 이후에는 a++가 실행되지 않습니다. 그래도 ++ 작업을 수행하려는 경우에는 while 루프를 사용할 수 있습니다.

while(true) { 
  int expect = a; 
  if (a.compareAndSet(expect, a + 1)) { 
    doSomeThing1(); 
    return; 
  } else { 
    doSomeThing2(); 
  } 
}

위의 작성 방법은 A++ 연산이 없으면 잠금 없이 구현되는데, 이는 실제로 비차단 알고리즘입니다.

Application

java.util.concurrent.atomic 패키지의 거의 대부분의 클래스는 CAS 작업을 사용하여 몇 가지 주요 메소드의 구현을 보려면 AtomicInteger를 예로 들어 보겠습니다. getAndSet 메소드에 대한 JDK 문서의 설명은 다음과 같습니다. 주어진 값을 원자적으로 설정하고 이전 값을 반환합니다. Atomic 메소드가 반영된 곳은 CompareAndSet에 반영됩니다. CompareAndSet이 어떻게 구현되는지 살펴보겠습니다.

public final int getAndSet(int newValue) { 
  for (;;) { 
    int current = get(); 
    if (compareAndSet(current, newValue)) 
      return current; 
  } 
}

예상대로 Unsafe 클래스의 CAS 연산을 사용하여 완료됩니다.

a++ 연산이 어떻게 구현되는지 살펴보겠습니다.

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

는 원래 예제와 거의 동일하며 CAS 연산을 사용하여 자동 증가 연산을 구현합니다.

++a 작업은 반환 결과가 다르다는 점을 제외하면 ++ 작업과 유사합니다.

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

또한 java.util.concurrent.ConcurrentLinkedQueue 클래스는 비차단 알고리즘을 사용하며 잠금이 사용되지 않습니다. CAS 운영을 기반으로 구현되었습니다. CAS 연산은 JAVA 동시성 프레임워크의 기초라고 할 수 있으며, 전체 프레임워크의 설계는 CAS 연산을 기반으로 합니다.

단점:

1. ABA 문제

Wikipedia에서 생생한 사례를 제공합니다. -

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이것이 ABA의 문제입니다.

CAS 작업은 쉽게 ABA 문제로 이어질 수 있습니다. 즉, a++를 수행하는 사이에 a가 여러 스레드에 의해 수정되었을 수 있지만, 이때 CAS는 a의 값이 원래 값으로 돌아왔다고 생각할 것입니다. 변경되지 않았습니다. a 잠시 동안 바깥을 돌아다닌 후에는 그것이 나쁜 일을 하지 않았다는 것을 확신할 수 있습니다. ! 어쩌면 재미삼아 b의 값을 낮추고, c의 값을 높이는 등의 일이 일어날 수도 있습니다. 게다가 a가 객체라면 이 객체가 새로 생성될 수도 있고, a가 참조가 되는 상황은 어떤가요? 여기에는 여전히 많은 문제가 있습니다. ABA 문제를 해결하는 방법은 여러 가지가 있습니다. 수정 횟수를 변경하지 않고 a++를 수행하는 방법도 있습니다. a++ 작업은 버전 번호가 동일한 경우에만 수행됩니다. 이는 트랜잭션 원자성 처리와 다소 유사합니다.

2. CPU 리소스를 더 많이 소비하고 경합이 없더라도 쓸모없는 작업을 수행합니다.

3. 프로그램 테스트가 복잡해지고, 주의하지 않으면 문제가 발생할 수 있습니다.

요약

CAS를 사용하면 잠금 없이 원자 작업을 구현할 수 있지만 애플리케이션이 명확해야 합니다. 잠금을 도입하지 않고 매우 간단한 작업을 수행하려면 CAS 작업을 비차단 방식으로 완료하려는 경우에도 고려할 수 있습니다. CAS. CAS를 복잡한 작업에 도입하는 것은 권장되지 않습니다. 프로그램을 읽기 어렵고 테스트하기 어렵게 만들고 ABA 문제가 발생할 수 있기 때문입니다.

위 내용은 Java의 CAS 작업 분석의 상세 내용입니다. 자세한 내용은 PHP 중국어 웹사이트의 기타 관련 기사를 참조하세요!