快捷導(dǎo)航

Java多線程CAS操作原理代碼實(shí)例解析

更新時(shí)間：2020年07月25日 09:46:55 作者：AmourLee

這篇文章主要介紹了Java多線程CAS操作原理代碼實(shí)例解析,文中通過示例代碼介紹的非常詳細(xì)，對(duì)大家的學(xué)習(xí)或者工作具有一定的參考學(xué)習(xí)價(jià)值,需要的朋友可以參考下

CAS操作號(hào)稱無鎖優(yōu)化，也叫作自旋；對(duì)于一些常見的操作需要加鎖，然后jdk就提供了一些以Atomic開頭的類，這些類內(nèi)部自動(dòng)帶了鎖，當(dāng)然這里的鎖并非是用synchronized來實(shí)現(xiàn)的，而是通過CAS操作來實(shí)現(xiàn)的；

一、下面是 AtomicInteger 的使用：

package com.designmodal.design.juc01;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

/**
 * @author D-L
 * @Classname T03_AtomicInteger
 * @Version 1.0
 * @Description 使用 AtomicInteger 類解決常見的 多線程count++
 *        其內(nèi)部使用了CAS操作來保證原子性 但是不能保證多個(gè)方法連續(xù)調(diào)用都是原子性
 * @Date 2020/7/21 0:35
 */
public class T03_AtomicInteger {
  //使用AtomicInteger類
  AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);

  public void m(){
    for (int i = 0; i < 10000; i++) {
      //等同于 在 count++ 上加鎖
      count.incrementAndGet();
    }
  }

  public static void main(String[] args) {
    T03_AtomicInteger t = new T03_AtomicInteger();
    List<Thread> threads = new ArrayList<>();
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
      threads.add(new Thread(t::m , "Thread" + i));
    }
    threads.forEach((o) -> o.start());
    threads.forEach(o ->{
      try {
        o.join();
      } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
      }
    });

    System.out.println(t.count);
  }
}

二、當(dāng)然達(dá)到使用的級(jí)別很簡單，看一下API就好了，通過上面的小程序，下面主要來聊一聊原理：

1、通過源碼分析AtomicInteger

首先小程序中定義了一個(gè) AtomicInteger 類型的變量count；

 AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
 public void add(){
  count.incrementAndGet();
 }

調(diào)用了AtomicInteger類中incrementAndGet();

/**
   * Atomically increments by one the current value.
   *
   * @return the updated value
   */
  public final int incrementAndGet() {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
  }

調(diào)用unsafe類中的 getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4)方法；

public native int getIntVolatile(Object var1, long var2);
public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);


 public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
    int var5;
    do {
      var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
    } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));

    return var5;
  }

這里通過以上三步的操作，最終會(huì)進(jìn)入U(xiǎn)nsafe類這里調(diào)用的 compareAndSwapInt 意思就是比較然后交換，通過一個(gè)while循環(huán)，在這里轉(zhuǎn)呀轉(zhuǎn)，直到修改成功；

CAS(compareAndSwap)（比較并交換）：原來想改變的值為0 ，現(xiàn)在想修改成1 ，這里想做到線程安全就必須要加synchronized，現(xiàn)在想用另外一種方式來替換加鎖的方法，就是所謂的CAS操作；你可以把它想象成擁有三個(gè)參數(shù)的方法cas(V , Expected , NewValue); 第一個(gè)參數(shù)V是你要改的那個(gè)值，Expected第二個(gè)參數(shù)是你期望當(dāng)前的值是多少（也就是如果沒有線程修改的時(shí)，這個(gè)值應(yīng)該是多少，如果不是期望值那就證明有別的線程修改過），NewValue是要設(shè)置的新值;

上圖簡單模擬了CAS操作的過程，當(dāng)線程1和線程2同時(shí)讀取了共享變量count = 0；在線程1修改的過程中，線程2已經(jīng)將count值修改為1，那么在線程1修改的時(shí)候發(fā)現(xiàn)Expected值和V已經(jīng)匹配不上了，證明已經(jīng)有線程快我一步將count值改了（可能這里并發(fā)量大的時(shí)候已經(jīng)有n多個(gè)線程已經(jīng)修改過了），怎么辦呢？那我只能將我的期望值修改成V的值、newValue 在這基礎(chǔ)上加1，然后繼續(xù)在這自旋操作，直到修改成功，這就是自旋操作；

2、Unsafe類(java并發(fā)包底層實(shí)現(xiàn)的核心)

CAS操作不需要加鎖是如何做到的呢？原因就在于Unsafe這個(gè)類，這個(gè)類除了你使用反射之外，你是不能夠直接使用的，這里不能使用的原因和ClassLoader有關(guān)系，所有AtomicXXX 類內(nèi)部都是CompareAndSwap / CompareAndSet（新版jdk）,這個(gè)類中存在好多native方法；

Unsafe類使Java擁有了像C語言的指針一樣操作內(nèi)存空間的能力，一旦能夠直接操作內(nèi)存，這也就意味著（1）不受JVM管理，也就意味著無法被GC，需要我們手動(dòng)GC，稍有不慎就會(huì)出現(xiàn)內(nèi)存泄漏。（2）Unsafe的不少方法中必須提供原始地址(內(nèi)存地址)和被替換對(duì)象的地址，偏移量要自己計(jì)算，一旦出現(xiàn)問題就是JVM崩潰級(jí)別的異常，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)JVM實(shí)例崩潰，表現(xiàn)為應(yīng)用程序直接crash掉。（3）直接操作內(nèi)存，也意味著其速度更快，在高并發(fā)的條件之下能夠很好地提高效率。

CAS：CompareAndSwap，內(nèi)存偏移地址(var2)，預(yù)期值(var4)，新值(var5)。如果變量在當(dāng)前時(shí)刻的值和預(yù)期值expected相等，嘗試將變量的值更新為新值(var5)。如果更新成功，返回true；否則，返回false。

/**
   * CAS操作 ：Unsafe類中的本地方法 由于Java語言無法訪問操作系統(tǒng)底層信息（比如：底層硬件設(shè)備等），
   * 這時(shí)候就需要借助C C++語言來完成了
   * @param var1 對(duì)象
   * @param var2 偏移量
   * @param var4 期望值
   * @param var5 新值
   * @return 修改成功返回true 失敗返回false
   */
  public final native boolean compareAndSwapObject(Object var1, long var2, Object var4, Object var5);

  public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);

  public final native boolean compareAndSwapLong(Object var1, long var2, long var4, long var6);

三、CAS操作帶來的ABA問題

ABA問題說白了就是在線程進(jìn)行CAS操作過程中有多個(gè)線程對(duì)這個(gè)共享變量進(jìn)行修改，有加有減，兜兜轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)又回到起始值，這時(shí)該線程渾然不知；打個(gè)不恰當(dāng)?shù)谋扔鳎哼@個(gè)過程就好像你前女友跟你分手以后，在時(shí)隔一年之后又找你復(fù)合來了，說兜兜轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)還是覺得你好，在此期間你前女友已經(jīng)換了幾個(gè)男朋友你卻渾然不知，那個(gè)好看的她穿著你喜歡的小短裙，扎著清純的馬尾辮又回來，好了言歸正傳，意思就是結(jié)果是你期望的，可是這個(gè)值是經(jīng)過很多版本的。

下面簡單模擬ABA操作圖：