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Java?CAS與JUC組件詳解

更新時(shí)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(gè)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(shí),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(gè)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(shí)系統(tǒng)會(huì)檢查：

當(dāng)前內(nèi)容是否和你打開時(shí)的版本一致（預(yù)期值比對(duì)）。

如果一致，允許保存；否則提示“內(nèi)容已變更，請(qǐng)重新編輯”。
這個(gè)過程就是CAS的核心思想——樂觀鎖：先操作，沖突時(shí)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(duì)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(gè)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(shí)間極短的場(chǎng)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(jìng)爭(zhēng)不激烈時(shí)（如短任務(wù)），自旋鎖比系統(tǒng)鎖（如synchronized）更高效。

缺點(diǎn)：長時(shí)間自旋會(huì)浪費(fèi)CPU資源（需根據(jù)場(chǎng)景權(quán)衡）。

2.3缺陷：ABA問題

ABA問題場(chǎng)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(shí)離開了一會(huì)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?。?。

這里在實(shí)際場(chǎng)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(hào)標(biāo)記（AtomicStampedReference）
為值附加一個(gè)版本號(hào)（類似“修改次數(shù)”），CAS時(shí)同時(shí)校驗(yàn)值和版本號(hào)。

AtomicStampedReference<String> ref = new AtomicStampedReference<>("A", 0);  
// 線程1讀取值和版本號(hào)  
int stamp = ref.getStamp();  
String oldValue = ref.getReference();  
// 線程2修改值并更新版本號(hào)  
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(hào)已變，操作失?。? 
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(jiǎn)化版版本號(hào)）。

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(jì)算結(jié)果：" + futureTask.get()); // 輸出 5050

通過 FutureTask 包裝 Callable 任務(wù)，啟動(dòng)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(duì)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(dòng)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(dòng)釋放鎖
        }
    }
}

synchronized 的等價(jià)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(shí)時(shí)間（tryLock(1, TimeUnit.SECONDS)）。
公平鎖減少線程饑餓問題。

2.4.3Semaphore信號(hào)量

官方解析：Semaphore (Java SE 17 & JDK 17)

Semaphore 用于控制同時(shí)訪問某個(gè)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(chǎng)）

Semaphore semaphore = new Semaphore(3); // 3 個(gè)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(dòng) 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(gè)同步工具，允許一個(gè)或多個(gè)線程等待其他線程完成操作。

核心方法：

countDown()：計(jì)數(shù)器減 1。
await()：阻塞直到計(jì)數(shù)器歸零。

public static void main(String[] args) {
        CountDownLatch latch = new CountDownLatch(3); // 需要等待 3 個(gè)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(dòng) 3 個(gè)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！");
    }