CAS原理
一般地,锁分为悲观锁和乐观锁:悲观锁认为对于同一个数据的并发操作,一定是为发生修改的;而乐观锁则任务对于同一个数据的并发操作是不会发生修改的,在更新数据时会采用尝试更新不断重试的方式更新数据。
CAS(Compare And Swap,比较交换):CAS有三个操作数,内存值V、预期值A、要修改的新值B,当且仅当A和V相等时才会将V修改为B,否则什么都不做。Java中CAS操作通过JNI本地方法实现,在JVM中程序会根据当前处理器的类型来决定是否为cmpxchg指令添加lock前缀。如果程序是在多处理器上运行,就为cmpxchg指令加上lock前缀(Lock Cmpxchg);反之,如果程序是在单处理器上运行,就省略lock前缀。
Intel的手册对lock前缀的说明如下:
确保对内存的读-改-写操作原子执行。之前采用锁定总线的方式,但开销很大;后来改用缓存锁定来保证指令执行的原子性。
禁止该指令与之前和之后的读和写指令重排序。
把写缓冲区中的所有数据刷新到内存中。
CAS同时具有volatile读和volatile写的内存语义。
不过CAS操作也存在一些缺点:1. 存在ABA问题,其解决思路是使用版本号;2. 循环时间长,开销大;3. 只能保证一个共享变量的原子操作。
JDK1.8的ConcurrentHashMap的put操作实现方式主要定义在putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent)中。
final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();
int hash = spread(key.hashCode());
int binCount = 0;
for (Node<K,V>[] tab = table;;) {
Node<K,V> f; int n, i, fh;
if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
tab = initTable();
else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {
if (casTabAt(tab, i, null,
new Node<K,V>(hash, key, value, null)))
break; // no lock when adding to empty bin
}
else if ((fh = f.hash) == MOVED)
tab = helpTransfer(tab, f);
else {
V oldVal = null;
synchronized (f) {
if (tabAt(tab, i) == f) {
if (fh >= 0) {
binCount = 1;
for (Node<K,V> e = f;; ++binCount) {
K ek;
if (e.hash == hash &&
((ek = e.key) == key ||
(ek != null && key.equals(ek)))) {
oldVal = e.val;
if (!onlyIfAbsent)
e.val = value;
break;
}
Node<K,V> pred = e;
if ((e = e.next) == null) {
pred.next = new Node<K,V>(hash, key,
value, null);
break;
}
}
}
else if (f instanceof TreeBin) {
Node<K,V> p;
binCount = 2;
if ((p = ((TreeBin<K,V>)f).putTreeVal(hash, key,
value)) != null) {
oldVal = p.val;
if (!onlyIfAbsent)
p.val = value;
}
}
}
}
if (binCount != 0) {
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)
treeifyBin(tab, i);
if (oldVal != null)
return oldVal;
break;
}
}
}
addCount(1L, binCount);
return null;
}put操作大致可分为以下几个步骤:
计算key的hash值,即调用speed()方法计算hash值;
获取hash值对应的Node节点位置,此时通过一个循环实现。有以下几种情况: 如果table表为空,则首先进行初始化操作,初始化之后再次进入循环获取Node节点的位置; 如果table不为空,但没有找到key对应的Node节点,则直接调用casTabAt()方法插入一个新节点,此时不用加锁; 如果table不为空,且key对应的Node节点也不为空,但Node头结点的hash值为MOVED(-1),则表示需要扩容,此时调用helpTransfer()方法进行扩容; 其他情况下,则直接向Node中插入一个新Node节点,此时需要对这个Node链表或红黑树通过synchronized加锁。 插入元素后,判断对应的Node结构是否需要改变结构,如果需要则调用treeifyBin()方法将Node链表升级为红黑树结构; 最后,调用addCount()方法记录table中元素的数量。