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Java?CAS與JUC組件詳解

 更新時間:2025年04月23日 09:59:46   作者:愛吃烤雞翅的酸菜魚  
CAS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,本文給大家介紹Java?CAS與JUC組件的相關(guān)知識,感興趣的朋友一起看看吧

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synchronizedReentrantLock
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)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!

到此這篇關(guān)于Java CAS與JUC組件的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java CAS與JUC組件內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家!

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