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三分钟带你秒懂CAS实现机制

2024-12-13 14:32

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所谓原子类操作,顾名思义,就是这个操作要么全部执行成功,要么全部执行失败,是保证并发编程安全的重要一环。

以AtomicInteger原子类为例,应用示例如下!

public class Demo {

    
    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个线程执行完毕
        countDownLatch.await();
        // 输出结果值
        System.out.println("结果值:" + a.get());
    }
}

输出结果:

结果值:10000

相比通过synchronized和lock等方式实现的线程安全同步操作,原子类的实现机制则完全不同。它采用的是通过无锁(lock-free)的方式来实现线程安全(thread-safe)访问,底层原理主要基于CAS操作来实现。

某些业务场景下,通过原子类来操作,既可以实现线程安全的要求,又可以实现高效的并发性能,同时编程方面更加简单。

二、什么是 CAS 操作呢?

CAS,全称是:Compare and Swap,翻译过来就是:比较并替换。它是实现并发算法时常用的一种技术,它包含三个操作数:内存位置、预期原值及新值。在执行CAS操作的时候,会将内存位置的值与预期原值比较,如果一致,会将该位置的值更新为新值;否则,不做任何操作。

我们还是以AtomicInteger原子类为例,部分源码内容如下:

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

    // 使用 Unsafe.compareAndSwapInt 方法进行 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); }
    }

    // 变量使用 volatile 保证可见性
    private volatile int value;

    
    public final int get() {
        return value;
    }

    
    public final int incrementAndGet() {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
    }
}

从源码上可以清晰的看出,变量value使用了volatile关键字,保证数据可见性和程序的有序性;原子性自增操作incrementAndGet()方法,路由到Unsafe.getAndAddInt()方法上。

我们继续往下看Unsafe.getAndAddInt()这个方法,部分源码内容如下:

public final class Unsafe {

    public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
        int var5;
        // 1.循环比较并替换,只有成功才返回
        do {
            // 2.调用底层方法得到 value 值
            var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
            // 3.通过var1和var2得到底层值,var5为当前值,如果底层值与当前值相同,则将值设为var5+var4
        } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));
        // 4.如果替换成功,返回当前值
        return var5;
    }

    
    public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);
}

从以上的源码可以清晰的看到,incrementAndGet()方法主要基于Unsafe.compareAndSwapInt方法来实现,同时进行了循环比较与替换的操作,只有替换成功才会返回,这个过程也被称为自旋操作,确保程序执行成功,进一步保证了操作的原子性。

其它的方法实现思路也类似。

如果我们自己通过CAS编写incrementAndGet(),大概长这样:

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

当并发数量比较低的时候,采用CAS这种方式可以实现更快的执行效率;当并发数量比较高的时候,因为存在循环比较与替换的逻辑,如果长时间循环,可能会更加消耗 CPU 资源,此时采用synchronized或Lock来实现线程同步,可能会更有优势。

三、ABA问题

从上文的分析中,我们知道 CAS 在操作的时候会检查预期原值是否发生变化,当预期原值没有发生变化才会更新值。

在实际业务中,可能会出现这么一个现象:线程 t1 正尝试将共享变量的值 A 进行修改,但还没修改;此时另一个线程 t2 获取到 CPU 时间片,将共享变量的值 A 修改成 B,然后又修改为 A,此时线程 t1 检查发现共享变量的值没有发生变化,就会主动去更新值,导致出现了错误更新,但是实际上原始值在这个过程中发生了好几次变化。这个现象我们称它为 ABA 问题。

ABA 问题的解决思路就是使用版本号,在变量前面追加上版本号,每次变量更新的时候把版本号加 1,原来的A-B-A就会变成1A-2B-3A。

在java.util.concurrent.atomic包下提供了AtomicStampedReference类,它支持指定版本号来更新,可以通过它来解决 ABA 问题。

在AtomicStampedReference类的compareAndSet()方法中,会检查当前引用是否等于预期引用,并且当前版本号是否等于预期版本号,如果全部相等,则以原子方式将该引用的值设置为给定的更新值,同时更新版本号。

具体示例如下:

// 初始化一个带版本号的原子操作类,原始值:a,原始版本号:1
AtomicStampedReference reference = new AtomicStampedReference<>("a", 1);

// 将a更为b,同时将版本号加1,第一个参数:预期原值;第二个参数:更新后的新值;第三个参数:预期原版本号;第四个参数:更新后的版本号
boolean result1 = reference.compareAndSet("a", "b", reference.getStamp(), reference.getStamp() + 1);
System.out.println("第一次更新:" + result1);

// 将b更为a,因为预期原版本号不对,所以更新失败
boolean result2 = reference.compareAndSet("b", "a", 1, reference.getStamp());
System.out.println("第二次更新:" + result2);

输出结果:

第一次更新:true
第二次更新:false

四、小结

本文主要以AtomicInteger的用法和原理为例,对 CAS 实现原理进行介绍,JUC包下的原子操作类非常的多,但是大体用法和原理基本相似,只是针对不同的数据类型做了细分处理。

希望本篇的知识总结,能帮助到大家!

五、参考

https://www.liaoxuefeng.com/wiki/1252599548343744/1306581083881506

https://blog.csdn.net/zzti_erlie/article/details/123001758

https://juejin.cn/post/7057032581165875231

来源:Java极客技术内容投诉

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