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三分鐘帶你秒懂CAS實(shí)現(xiàn)機(jī)制

來(lái)源: 責(zé)編: 時(shí)間:2024-06-06 17:42:08 132觀看
導(dǎo)讀一、摘要在 Java 的java.util.concurrent包中,除了提供底層鎖、并發(fā)同步等工具類以外,還提供了一組原子操作類,大多以Atomic開(kāi)頭,他們位于java.util.concurrent.atomic包下。所謂原子類操作,顧名思義,就是這個(gè)操作要么全部

一、摘要

在 Java 的java.util.concurrent包中,除了提供底層鎖、并發(fā)同步等工具類以外,還提供了一組原子操作類,大多以Atomic開(kāi)頭,他們位于java.util.concurrent.atomic包下。C9B28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

所謂原子類操作,顧名思義,就是這個(gè)操作要么全部執(zhí)行成功,要么全部執(zhí)行失敗,是保證并發(fā)編程安全的重要一環(huán)。C9B28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

以AtomicInteger原子類為例,應(yīng)用示例如下!C9B28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

public class Demo {    /**     * 初始化一個(gè)原子操作類     */    private static AtomicInteger a = new AtomicInteger();    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {        final int threads = 10;        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threads);        for (int i = 0; i < threads; i++) {            new Thread(new Runnable() {                @Override                public void run() {                    for (int j = 0; j < 1000; j++) {                        // 采用原子性操作累加                        a.incrementAndGet();                    }                    countDownLatch.countDown();                }            }).start();        }        // 阻塞等待10個(gè)線程執(zhí)行完畢        countDownLatch.await();        // 輸出結(jié)果值        System.out.println("結(jié)果值:" + a.get());    }}

輸出結(jié)果:C9B28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

結(jié)果值:10000

相比通過(guò)synchronized和lock等方式實(shí)現(xiàn)的線程安全同步操作,原子類的實(shí)現(xiàn)機(jī)制則完全不同。它采用的是通過(guò)無(wú)鎖(lock-free)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)線程安全(thread-safe)訪問(wèn),底層原理主要基于CAS操作來(lái)實(shí)現(xiàn)。C9B28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

某些業(yè)務(wù)場(chǎng)景下,通過(guò)原子類來(lái)操作,既可以實(shí)現(xiàn)線程安全的要求,又可以實(shí)現(xiàn)高效的并發(fā)性能,同時(shí)編程方面更加簡(jiǎn)單。C9B28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

二、什么是 CAS 操作呢?

CAS,全稱是:Compare and Swap,翻譯過(guò)來(lái)就是:比較并替換。它是實(shí)現(xiàn)并發(fā)算法時(shí)常用的一種技術(shù),它包含三個(gè)操作數(shù):內(nèi)存位置、預(yù)期原值及新值。在執(zhí)行CAS操作的時(shí)候,會(huì)將內(nèi)存位置的值與預(yù)期原值比較,如果一致,會(huì)將該位置的值更新為新值;否則,不做任何操作。C9B28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

我們還是以AtomicInteger原子類為例,部分源碼內(nèi)容如下:C9B28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {    private static final long serialVersionUID = 6214790243416807050L;    // 使用 Unsafe.compareAndSwapInt 方法進(jìn)行 CAS 操作    private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();    private static final long valueOffset;    static {        try {            valueOffset = unsafe.objectFieldOffset                (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));        } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }    }    // 變量使用 volatile 保證可見(jiàn)性    private volatile int value;    /**     * get 方法     */    public final int get() {        return value;    }    /**     * 原子性自增操作     */    public final int incrementAndGet() {        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;    }}

從源碼上可以清晰的看出,變量value使用了volatile關(guān)鍵字,保證數(shù)據(jù)可見(jiàn)性和程序的有序性;原子性自增操作incrementAndGet()方法,路由到Unsafe.getAndAddInt()方法上。C9B28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

我們繼續(xù)往下看Unsafe.getAndAddInt()這個(gè)方法,部分源碼內(nèi)容如下:C9B28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

public final class Unsafe {    public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {        int var5;        // 1.循環(huán)比較并替換,只有成功才返回        do {            // 2.調(diào)用底層方法得到 value 值            var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);            // 3.通過(guò)var1和var2得到底層值,var5為當(dāng)前值,如果底層值與當(dāng)前值相同,則將值設(shè)為var5+var4        } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));        // 4.如果替換成功,返回當(dāng)前值        return var5;    }    /**     * CAS 核心方法,由其他語(yǔ)言實(shí)現(xiàn),不再分析     */    public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);}

從以上的源碼可以清晰的看到,incrementAndGet()方法主要基于Unsafe.compareAndSwapInt方法來(lái)實(shí)現(xiàn),同時(shí)進(jìn)行了循環(huán)比較與替換的操作,只有替換成功才會(huì)返回,這個(gè)過(guò)程也被稱為自旋操作,確保程序執(zhí)行成功,進(jìn)一步保證了操作的原子性。C9B28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

其它的方法實(shí)現(xiàn)思路也類似。C9B28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

如果我們自己通過(guò)CAS編寫(xiě)incrementAndGet(),大概長(zhǎng)這樣:C9B28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

public int incrementAndGet(AtomicInteger var) {    int prev, next;    do {        prev = var.get();        next = prev + 1;    } while ( !var.compareAndSet(prev, next));    return next;}

當(dāng)并發(fā)數(shù)量比較低的時(shí)候,采用CAS這種方式可以實(shí)現(xiàn)更快的執(zhí)行效率;當(dāng)并發(fā)數(shù)量比較高的時(shí)候,因?yàn)榇嬖谘h(huán)比較與替換的邏輯,如果長(zhǎng)時(shí)間循環(huán),可能會(huì)更加消耗 CPU 資源,此時(shí)采用synchronized或Lock來(lái)實(shí)現(xiàn)線程同步,可能會(huì)更有優(yōu)勢(shì)。C9B28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

三、ABA問(wèn)題

從上文的分析中,我們知道 CAS 在操作的時(shí)候會(huì)檢查預(yù)期原值是否發(fā)生變化,當(dāng)預(yù)期原值沒(méi)有發(fā)生變化才會(huì)更新值。C9B28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

在實(shí)際業(yè)務(wù)中,可能會(huì)出現(xiàn)這么一個(gè)現(xiàn)象:線程 t1 正嘗試將共享變量的值 A 進(jìn)行修改,但還沒(méi)修改;此時(shí)另一個(gè)線程 t2 獲取到 CPU 時(shí)間片,將共享變量的值 A 修改成 B,然后又修改為 A,此時(shí)線程 t1 檢查發(fā)現(xiàn)共享變量的值沒(méi)有發(fā)生變化,就會(huì)主動(dòng)去更新值,導(dǎo)致出現(xiàn)了錯(cuò)誤更新,但是實(shí)際上原始值在這個(gè)過(guò)程中發(fā)生了好幾次變化。這個(gè)現(xiàn)象我們稱它為 ABA 問(wèn)題。C9B28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

ABA 問(wèn)題的解決思路就是使用版本號(hào),在變量前面追加上版本號(hào),每次變量更新的時(shí)候把版本號(hào)加 1,原來(lái)的A-B-A就會(huì)變成1A-2B-3A。C9B28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

在java.util.concurrent.atomic包下提供了AtomicStampedReference類,它支持指定版本號(hào)來(lái)更新,可以通過(guò)它來(lái)解決 ABA 問(wèn)題。C9B28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

在AtomicStampedReference類的compareAndSet()方法中,會(huì)檢查當(dāng)前引用是否等于預(yù)期引用,并且當(dāng)前版本號(hào)是否等于預(yù)期版本號(hào),如果全部相等,則以原子方式將該引用的值設(shè)置為給定的更新值,同時(shí)更新版本號(hào)。C9B28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

具體示例如下:C9B28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

// 初始化一個(gè)帶版本號(hào)的原子操作類,原始值:a,原始版本號(hào):1AtomicStampedReference<String> reference = new AtomicStampedReference<>("a", 1);// 將a更為b,同時(shí)將版本號(hào)加1,第一個(gè)參數(shù):預(yù)期原值;第二個(gè)參數(shù):更新后的新值;第三個(gè)參數(shù):預(yù)期原版本號(hào);第四個(gè)參數(shù):更新后的版本號(hào)boolean result1 = reference.compareAndSet("a", "b", reference.getStamp(), reference.getStamp() + 1);System.out.println("第一次更新:" + result1);// 將b更為a,因?yàn)轭A(yù)期原版本號(hào)不對(duì),所以更新失敗boolean result2 = reference.compareAndSet("b", "a", 1, reference.getStamp());System.out.println("第二次更新:" + result2);

輸出結(jié)果:C9B28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

第一次更新:true第二次更新:false

四、小結(jié)

本文主要以AtomicInteger的用法和原理為例,對(duì) CAS 實(shí)現(xiàn)原理進(jìn)行介紹,JUC包下的原子操作類非常的多,但是大體用法和原理基本相似,只是針對(duì)不同的數(shù)據(jù)類型做了細(xì)分處理。C9B28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

希望本篇的知識(shí)總結(jié),能幫助到大家!C9B28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

五、參考

1.https://www.liaoxuefeng.com/wiki/1252599548343744/1306581083881506C9B28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

2.https://blog.csdn.net/zzti_erlie/article/details/123001758C9B28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

3.https://juejin.cn/post/7057032581165875231C9B28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

本文鏈接:http://www.tebozhan.com/showinfo-26-92468-0.html三分鐘帶你秒懂CAS實(shí)現(xiàn)機(jī)制

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