多线程--CAS--JAVA

小五Z

已于 2024-11-21 16:15:28 修改

阅读量606

点赞数 13

分类专栏： Java多线程编程文章标签： java jvm 数据结构

于 2024-11-21 16:15:08 首次发布

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/2301_79995226/article/details/143914536

版权

Java多线程编程专栏收录该内容

7 篇文章

订阅专栏

1.Java的CAS操作利用的是unsafe这个类提供的CAS操作

2.unsafe的CAS依赖的是JVM针对不同操作系统实现的Atomic::cmpxchg

3.Atomic::cmpxchg的实现使用了汇编的CAS操作，并且使用了cpu硬件提供的lock操作来保证原子性

一、什么是CAS

CAS,字面意思就是（比较并交换）。一个CAS涉及到以下操作：

我们假设内存中的原数据V,旧的预期值A，需要修改的值B

1.比较A和V的值是否相等（比较）

2.如果相当，将B的值写入到V（交换）

3.返回操作是否成功

二、CAS伪代码

下面所写的伪代码不是一个原子的操作，真实的CAS操作是一个原子的硬件指令完成的，下面的代码只用于帮助理解CAS。

boolean CAS(address, expectValue, swapValue) {
 if (&address == expectedValue) {
 &address = swapValue;
 return true;
 }
 return false;
}

两种典型的不是 "原⼦性" 的代码

1. check and set (if 判定然后设定值) [上⾯的 CAS 伪代码就是这种形式]

2. read and update (i++) [之前我们讲线程安全的代码例⼦是这种形式]

当多个线程同时对某个资源进⾏CAS操作，只能有⼀个线程操作成功，但是并不会阻塞其他线程,其他 线程只会收到操作失败的信号。

CAS 可以视为是⼀种乐观锁. (或者可以理解成 CAS 是乐观锁的⼀种实现⽅式)

三、CAS是怎样实现的

针对不同的操作系统，JVM用到了不同的CAS实现原理，简单来说：

1.Java的CAS操作利用的是unsafe这个类提供的CAS操作

2.unsafe的CAS依赖的是JVM针对不同操作系统实现的Atomic::cmpxchg

3.Atomic::cmpxchg的实现使用了汇编的CAS操作，并且使用了cpu硬件提供的lock操作来保证原子性

简而言之，是因为硬件上提供了支持，软件层面上才得以实现。

四、CAS的应用

1.实现原子类

标准库中java.util.concurrent.atomic包中里面的类都是通过这种方式实现的。

典型的AtomicInteger类其中的getAndIncrement()就相当于i++的操作。

AtomicInteger i=new AtomicInteger(0);
//相当于i++
i.getAndIncrement();

伪代码实现：

class AtomicInteger {
 private int value;
 public int getAndIncrement() {
 int oldValue = value;
 while ( CAS(value, oldValue, oldValue+1) != true) {
 oldValue = value;
 }
 return oldValue;
   }
}

假设两个线程同时调用getAndIncrement()：

1.两个线程都读取 value 的值到 oldValue 中. (oldValue 是⼀个局部变量, 在栈上. 每个线程有⾃⼰的栈）

2.线程1先进行CAS操作，由于oldValue的值和value的值相同，直接对value进行赋值。

注意：

CAS是直接读内存的，而不是操作寄存器

CAS的读内存，比较，写内存是原子性的，是一条硬件指令

3.线程2 再执⾏ CAS 操作, 第⼀次 CAS 的时候发现 oldValue 和 value 不相等, 不能进⾏赋值. 因此需要进⼊循环. 在循环⾥重新读取 value 的值赋给 oldValue

4.线程2第二次执行CAS操作，此时value的值和oldValue的值相等，于是直接执行赋值操作

5.线程1 和线程2 返回各⾃的 oldValue 的值即可.

通过形如上述代码就可以实现⼀个原⼦类. 不需要使⽤重量级锁, 就可以⾼效的完成多线程的⾃增操作.

本来 check and set 这样的操作在代码⻆度不是原⼦的. 但是在硬件层⾯上可以让⼀条指令完成这个

操作, 也就变成原⼦的了

2.实现自旋锁

基于CAS实现更灵活的锁，获取更多的控制权。

自选锁伪代码：

public class SpinLock {
 private Thread owner = null;
 public void lock(){
 // 通过 CAS 看当前锁是否被某个线程持有. 
 // 如果这个锁已经被别的线程持有, 那么就⾃旋等待. 
 // 如果这个锁没有被别的线程持有, 那么就把 owner 设为当前尝试加锁的线程. 
 while(!CAS(this.owner, null, Thread.currentThread())){
 }
 }
 public void unlock (){
 this.owner = null;
     }
}