Java?CAS與JUC組件詳解
1.前言
哈嘍大家好吖,不知不覺多線程這一塊大骨頭終于快要啃完了,今天給大家分享的是CAS以及JUC相關(guān)組件,那么廢話不多說讓我們開始吧。
2.正文
2.1CAS概念
核心思想:無所并發(fā)控制
CAS(Compare And Swap)是一種基于樂觀鎖的無鎖并發(fā)控制技術(shù)。其核心邏輯可以概括為:“我認(rèn)為當(dāng)前值應(yīng)該是A,如果是,則更新為B;否則放棄或重試”。整個過程由硬件保證原子性,無需傳統(tǒng)鎖機(jī)制。
通俗來說
假設(shè)你和同事協(xié)同編輯一份共享文檔,每次保存時系統(tǒng)會檢查:當(dāng)前內(nèi)容是否和你打開時的版本一致(預(yù)期值比對)。
如果一致,允許保存;否則提示“內(nèi)容已變更,請重新編輯”。
這個過程就是CAS的核心思想——樂觀鎖:先操作,沖突時重試,而非直接加鎖阻塞。
CAS操作的偽代碼可以拆解為以下步驟,幫助理解其原子性本質(zhì):
// 偽代碼:CAS操作的邏輯分解 public boolean compareAndSwap(MemoryAddress addr, int expectedValue, int newValue) { // 1. 讀取內(nèi)存當(dāng)前值 int currentValue = *addr; // 2. 比較當(dāng)前值與預(yù)期值 if (currentValue != expectedValue) { return false; // 值已被其他線程修改,操作失敗 } // 3. 若值未變,執(zhí)行原子性更新 *addr = newValue; return true; }
2.2CAS兩種用途
2.2.1實(shí)現(xiàn)原子類
針對原子類,++--這樣的操作是原子的,基于CAS實(shí)現(xiàn),不涉及到加鎖。
傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn):
private int count = 0; public synchronized void increment() { count++; }
進(jìn)階實(shí)現(xiàn): (使用Java提供的原子類)
AtomicInteger count = new AtomicInteger(0); public void increment() { int oldValue, newValue; do { oldValue = count.get(); newValue = oldValue + 1; } while (!count.compareAndSet(oldValue, newValue)); // CAS自旋 }
2.2.2實(shí)現(xiàn)自旋鎖
先回顧一個上篇文章的概念:自旋鎖是線程通過循環(huán)(自旋)不斷嘗試獲取鎖,而非立即阻塞。適用于鎖持有時間極短的場景。
代碼實(shí)現(xiàn):
public class CASSpinLock { private AtomicBoolean locked = new AtomicBoolean(false); // 獲取鎖 public void lock() { while (!locked.compareAndSet(false, true)) { // 自旋:直到成功將locked從false改為true } } // 釋放鎖 public void unlock() { locked.set(false); } }
線程競爭不激烈時(如短任務(wù)),自旋鎖比系統(tǒng)鎖(如
synchronized
)更高效。缺點(diǎn):長時間自旋會浪費(fèi)CPU資源(需根據(jù)場景權(quán)衡)。
2.3缺陷:ABA問題
ABA問題場景
- 線程1讀取變量值為
A
。 - 線程2將值改為
B
,隨后又改回A
。 - 線程1執(zhí)行CAS操作,發(fā)現(xiàn)當(dāng)前值仍是
A
,誤認(rèn)為未被修改過,操作成功。
通俗理解:
- 你看到自己的水杯是滿的(A),去接水時離開了一會兒。
- 期間別人喝光水(A→B)又倒?jié)M(B→A)。
- 你回來后以為水沒被喝過,直接喝下(可能喝到別人的水?。?/li>
這里在實(shí)際場景中就是非常嚴(yán)重的線程安全的問題了。
解決方案:
1. 版本號標(biāo)記(AtomicStampedReference)
為值附加一個版本號(類似“修改次數(shù)”),CAS時同時校驗(yàn)值和版本號。
AtomicStampedReference<String> ref = new AtomicStampedReference<>("A", 0); // 線程1讀取值和版本號 int stamp = ref.getStamp(); String oldValue = ref.getReference(); // 線程2修改值并更新版本號 ref.compareAndSet("A", "B", stamp, stamp + 1); ref.compareAndSet("B", "A", stamp + 1, stamp + 2); // 線程1嘗試修改:雖然值還是A,但版本號已變,操作失敗! boolean success = ref.compareAndSet(oldValue, "C", stamp, stamp + 1);
2. 狀態(tài)標(biāo)記(AtomicMarkableReference)
用布爾值標(biāo)記是否被修改過(簡化版版本號)。
2.4JUC組件
2.4.1Callable接口
官方解析:Callable (Java SE 17 & JDK 17)
Callable
是 Java 并發(fā)包(JUC)中定義的接口,類似于Runnable
,但允許線程執(zhí)行任務(wù)后返回結(jié)果,并可以拋出異常。與
Runnable
的區(qū)別:
Runnable
的run()
沒有返回值,Callable
的call()
可以返回泛型結(jié)果。call()
可以拋出受檢異常,run()
不能。
具體案例(異步運(yùn)算1加到100):
Callable<Integer> task = () -> { int sum = 0; for (int i = 1; i <= 100; i++) sum += i; return sum; }; FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<>(task); new Thread(futureTask).start(); // 主線程獲取結(jié)果 System.out.println("計算結(jié)果:" + futureTask.get()); // 輸出 5050
通過
FutureTask
包裝Callable
任務(wù),啟動線程執(zhí)行后,主線程通過futureTask.get()
等待結(jié)果返回,類似“異步任務(wù)+回調(diào)”模式。
2.4.2ReentrantLock(與synchronized對比)
官方解析:ReentrantLock (Java SE 17 & JDK 17)
ReentrantLock
是 JUC 提供的顯式鎖,支持可重入性、可中斷鎖、公平鎖等特性。
特性 | synchronized | ReentrantLock |
---|---|---|
鎖獲取方式 | 隱式(JVM 管理) | 顯式(代碼手動加鎖/解鎖) |
可中斷 | 不支持 | 支持 lockInterruptibly() |
公平鎖 | 不支持 | 支持(構(gòu)造函數(shù)指定) |
條件變量(Condition) | 無 | 支持(newCondition() ) |
案例:
class BankAccount { private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock(); private int balance = 100; void transfer(BankAccount target, int amount) { lock.lock(); try { if (this.balance >= amount) { this.balance -= amount; target.balance += amount; } } finally { lock.unlock(); // 必須手動釋放鎖 } } }
synchronized
的等價實(shí)現(xiàn)是在方法簽名加synchronized
關(guān)鍵字,但ReentrantLock
更靈活:
- 可設(shè)置超時時間(
tryLock(1, TimeUnit.SECONDS)
)。- 公平鎖減少線程饑餓問題。
2.4.3Semaphore信號量
官方解析:Semaphore (Java SE 17 & JDK 17)
Semaphore
用于控制同時訪問某個資源的線程數(shù)量,類似“許可證發(fā)放”。
核心方法:
acquire()
:獲取許可證(若無可用則阻塞)。release()
:釋放許可證。
案例:(模擬停車場)
Semaphore semaphore = new Semaphore(3); // 3 個許可證 Runnable parkAction = () -> { try { semaphore.acquire(); // 獲取車位 System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 停入車位"); Thread.sleep(2000); // 停車 2 秒 } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } finally { semaphore.release(); // 釋放車位 System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 離開車位"); } }; // 啟動 5 輛車嘗試停車 for (int i = 0; i < 5; i++) { new Thread(parkAction).start(); }
2.4.4CountDownLatch
官方解析:CountDownLatch (Java SE 17 & JDK 17)
CountDownLatch
是一個同步工具,允許一個或多個線程等待其他線程完成操作。
核心方法:
countDown()
:計數(shù)器減 1。await()
:阻塞直到計數(shù)器歸零。
public static void main(String[] args) { CountDownLatch latch = new CountDownLatch(3); // 需要等待 3 個任務(wù) // 資源加載任務(wù) Runnable loadTask = () -> { try { Thread.sleep((long) (Math.random() * 2000)); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 加載完成"); latch.countDown(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } }; // 啟動 3 個資源加載線程 new Thread(loadTask, "地圖").start(); new Thread(loadTask, "音效").start(); new Thread(loadTask, "UI").start(); // 主線程等待所有資源加載完成 try { latch.await(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println("所有資源加載完成,開始游戲!"); }
3.小結(jié)
今天的分享到這里就結(jié)束了,喜歡的小伙伴點(diǎn)點(diǎn)贊點(diǎn)點(diǎn)關(guān)注,你的支持就是對我最大的鼓勵,大家加油!
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