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JAVA并发编程-CAS

CAS 你知道吗?

CAS 是什么

  • CAS 的全称 Compare-And-Swap,它是一条 CPU 并发。
  • 它的功能是判断内存某一个位置的值是否为预期,如果是则更改这个值,这个过程就是原子的。
  • CAS 并发原体现在 JAVA 语言中就是 sun.misc.Unsafe 类中的各个方法。调用 UnSafe 类中的 CAS 方法,JVM 会帮我们实现出 CAS 汇编指令。这是一种完全依赖硬件的功能,通过它实现了原子操作。由于 CAS 是一种系统源语,源语属于操作系统用语范畴,是由若干条指令组成,用于完成某一个功能的过程,并且原语的执行必须是连续的,在执行的过程中不允许被中断,也就是说 CAS 是一条原子指令,不会造成所谓的数据不一致的问题。

使用AtomicInteger验证cas

public class CASDemo {
    public static void main(String[] args) {
        AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(666);
        // 获取真实值,并替换为相应的值
        boolean b = atomicInteger.compareAndSet(666, 2019);
        System.out.println(b); // true
        boolean b1 = atomicInteger.compareAndSet(666, 2020);
        System.out.println(b1); // false
        atomicInteger.getAndIncrement();
    }
}

CAS 底层原理?谈谈对 UnSafe 的理解?

getAndIncrement();

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

引出一个问题:UnSafe 类是什么?

UnSafe 类

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 6214790243416807050L;

    // setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updates
    private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
    private static final long valueOffset;

    static {
        try {
            // 获取下面 value 的地址偏移量
            valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
                (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
        } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
    }

    private volatile int value;
	// ...
}
  • Unsafe 是 CAS 的核心类,由于 Java 方法无法直接访问底层系统,而需要通过本地(native)方法来访问, Unsafe 类相当一个后门,基于该类可以直接操作特定内存的数据。Unsafe 类存在于 sun.misc 包中,其内部方法操作可以像 C 指针一样直接操作内存,因为 Java 中 CAS 操作执行依赖于 Unsafe 类。
  • 变量 vauleOffset,表示该变量值在内存中的偏移量,因为 Unsafe 就是根据内存偏移量来获取数据的。
  • 变量 value 用 volatile 修饰,保证了多线程之间的内存可见性。

分析一下 getAndAddInt 这个方法

// unsafe.getAndAddInt
public final int getAndAddInt(Object obj, long valueOffset, long expected, int val) {
    int temp;
    do {
        temp = this.getIntVolatile(obj, valueOffset);  // 获取快照值
    } while (!this.compareAndSwap(obj, valueOffset, temp, temp + val));  // 如果此时 temp 没有被修改,就能退出循环,否则重新获取
    return temp;
}

CAS 的缺点?

  • 循环时间长开销很大
    • 如果 CAS 失败,会一直尝试,如果 CAS 长时间一直不成功,可能会给 CPU 带来很大的开销(比如线程数很多,每次比较都是失败,就会一直循环),所以希望是线程数比较小的场景。
  • 只能保证一个共享变量的原子操作
    • 对于多个共享变量操作时,循环 CAS 就无法保证操作的原子性。
  • 引出 ABA 问题

原子类 AtomicInteger 的 ABA 问题谈一谈?原子更新引用知道吗?

  • 原子引用
public class AtomicReferenceDemo {
    public static void main(String[] args) {
        User cuzz = new User("cuzz", 18);
        User faker = new User("faker", 20);
        AtomicReference<User> atomicReference = new AtomicReference<>();
        atomicReference.set(cuzz);
        System.out.println(atomicReference.compareAndSet(cuzz, faker)); // true
        System.out.println(atomicReference.get()); // User(userName=faker, age=20)
    }
}

ABA 问题是怎么产生的

/**
 * @program: learn-demo
 * @description: ABA
 * @author: cuzz
 * @create: 2019-04-21 23:31
 **/
public class ABADemo {
    private static AtomicReference<Integer> atomicReference = new AtomicReference<>(100);

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            atomicReference.compareAndSet(100, 101);
            atomicReference.compareAndSet(101, 100);
        }).start();

        new Thread(() -> {
            // 保证上面线程先执行
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            atomicReference.compareAndSet(100, 2019);
            System.out.println(atomicReference.get()); // 2019
        }).start();
    }
}
  • 当有一个值从 A 改为 B 又改为 A,这就是 ABA 问题

时间戳原子引用

package com.cuzz.thread;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicStampedReference;

/**
 * @program: learn-demo
 * @description: ABA
 * @author: cuzz
 * @create: 2019-04-21 23:31
 **/

public class ABADemo2 {
    private static AtomicStampedReference<Integer> atomicStampedReference = new AtomicStampedReference<>(100, 1);

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            int stamp = atomicStampedReference.getStamp();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 的版本号为:" + stamp);
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            atomicStampedReference.compareAndSet(100, 101, atomicStampedReference.getStamp(), atomicStampedReference.getStamp() + 1 );
            atomicStampedReference.compareAndSet(101, 100, atomicStampedReference.getStamp(), atomicStampedReference.getStamp() + 1 );
        }).start();

        new Thread(() -> {
            int stamp = atomicStampedReference.getStamp();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 的版本号为:" + stamp);
            try {
                Thread.sleep(3000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            boolean b = atomicStampedReference.compareAndSet(100, 2019, stamp, stamp + 1);
            System.out.println(b); // false
            System.out.println(atomicStampedReference.getReference()); // 100
        }).start();
    }
}

我们先保证两个线程的初始版本为一致,后面修改是由于版本不一样就会修改失败。

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