java并发编程第二期 CAS

最新推荐文章于 2025-12-01 18:55:49 发布

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#intellij-idea #spring #java

本文介绍了Java并发编程中的原子类AtomicInteger及其compareAndSet()方法，展示了其基于CPU原语的CAS操作。还讨论了CAS的优缺点，包括可能导致的循环开销和ABA问题，并通过AtomicReference和AtomicStampedReference解决了ABA问题。此外，文章还探讨了CountDownLatch、CyclicBarrier和Semaphore等并发控制工具类的使用场景和工作原理。

上期提到过AtomicInteger ,其中一个赋值方法compareAndSet()，CAS就是原子类比较并设值方法的缩写。

CAS 全程是CompareAndSwap 比较并交换，是一条CPU原语，这个过程是原子的

CAS 简单实用

package com.cas;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

/**
 * @author liuxu
 * @date 2021/11/10 21:59
 */
public class CasDemo {
    public static void main(String[] args) {
        AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(10);
        System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(10,100)+"当前值是:"+atomicInteger.get());
        System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(10,100)+"当前值是:"+atomicInteger.get());
    }
}

如果和预期值不一致，会导致值修改失败

CAS底层原理可以从

atomicInteger.incrementAndGet();看起

/*this 当前对象
valueOffset 内存偏移量
unsafe  unsafe类，cas关键
*/
public final int incrementAndGet() {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
    }




unsafe类下方法
var1 当前对内存偏移量
var2 内存偏移量
var4 增加值
 public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
        int var5;
        do {
            var5 = this.getIntVolatile(var1, var2); //相当于从主物理内存拿到当前对象物理内存上的值 var5
        } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));

        return var5;
    }
//这个方法在java中看不到实现，可以在java源码包中找到，sun.misc包下可以看到源码
/*
*这个方法首先会将 内存偏移量得到的值var5 和 原来的值var1进行比较 如果相同，说明当前
*线程备份值和内存中的值相同（这里不明白可以看第一期）JMM模型中线程操作内存的方法，可以进行值的增加，
*返回ture，在原来值上增加var4，操作成功，由于方法native修饰，此方法线程安全
*如果失败，只能重新获取内存偏移量上的值，直到设置成功。
*/
public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);

CAS的缺点

1.如果一个线程一直未CAS设值成功，就会while循环，可能会给CPU带来较大开销

2.会存在ABA问题，如果A线程拷贝了主内存中的值，但是还没有进行值的修改，

此时B线程将主线程中的值由A改成B，然后再改成A，此时如果A线程进行CAS操作，

会认为主线程的值并没有修改

3.可以使用的值比较单一

原子引用可以解决这个问题，首先他可以将对对象封装成原子类

package com.cas;

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

/**
 * @author liuxu
 * @date 2021/11/10 22:42
 */
public class AtomDemo {
    public static void main(String[] args) {
        AtomicReference<String> reference = new AtomicReference<>();
        reference.set("张三");
        System.out.println(reference.get());
        boolean b = reference.compareAndSet("张三", "zhang");
        System.out.println(b+reference.get());
        boolean c = reference.compareAndSet("张三", "zhang");
        System.out.println(c+reference.get());
    }
}

版本号引用，解决ABA问题

package com.cas;

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

/**
 * @author liuxu
 * @date 2021/11/10 22:51
 */
public class ABADemo {
    static AtomicReference<Integer> atomicReference = new AtomicReference<>(0);//原子引用
    static AtomicStampedReference<Integer> stampedReference =
            new AtomicStampedReference<>(0,1);//版本号原子引用

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(()->{
            atomicReference.compareAndSet(0,100);
            atomicReference.compareAndSet(100,0);
        },"A").start();

        new Thread(()->{
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            boolean b = atomicReference.compareAndSet(0, 100);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"设置值"+b);

        },"B").start();

        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println("以上说明ABA问题存在,版本号原子引用可以解决");
        new Thread(()->{
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            stampedReference.compareAndSet(0,100,stampedReference.getStamp(),stampedReference.getStamp()+1);
            stampedReference.compareAndSet(100,0,stampedReference.getStamp(),stampedReference.getStamp()+1);
        },"C").start();

        new Thread(()->{

            int stamp = stampedReference.getStamp();

            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            boolean andSet = stampedReference.compareAndSet(0, 2009, stamp, stamp + 1);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"获取的版本号是"+stamp);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"实际的版本号是"+stampedReference.getStamp());
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"是否修改成功"+andSet);


        },"D").start();

    }
}

CountDownLatch 用于多线程间递减计数，唤醒另一线程。

一个或者多个线程功来调用 countDownLatch.await(); 如果 countDownLatch不是0就会被阻塞

直到 countDownLatch.countDown();将初始值递减到0

package com.cas;

import java.util.concurrent.CountDownLatch;

/**
 * @author liuxu
 * @date 2021/11/11 20:20
 */

/**
 * CountDownLatch  countDownLatch.countDown()递减计数，
 * 直到为0 countDownLatch.await();才会放行countDownLatch.await()所在线程
 */
public class CountDownLathDemo {

    public static void main(String[] args) {
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(10);


        for (int i = 0; i <10 ; i++) {
            new Thread(()->{
                countDownLatch.countDown();
                System.out.println("第"+Thread.currentThread().getName()+"个人离开");
            },i+"").start();
        }
        try {
            countDownLatch.await();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("闭门关灯");
    }
}

CyclicBarrier

CyclicBarrier构造时声明最终目标值和要运行的方法，

cyclicBarrier.await();一次，cyclicBarrier从0自增1，达到目标值，lamda表达式中的方法运行

package com.cas;

import java.util.concurrent.BrokenBarrierException;
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;

/**
 * @author liuxu
 * @date 2021/11/11 20:50
 */
public class CyclicBarrierDemo {
    public static void main(String[] args) {
        CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(7,()->{
           System.out.println("葫芦小金刚出世");
        });

        for (int i = 0; i < 7; i++) {
            new Thread(()->{
                System.out.println("葫芦娃老"+Thread.currentThread().getName()+"来了");
                try {
                    cyclicBarrier.await();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } catch (BrokenBarrierException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            },i==0?"大":i+1+"").start();


        }
    }
}

Semaphore

用于多个共享资源的互斥用于并发线程数的控制

用于类似抢车位式占用资源

首先new 2个信号量，最多两个人同时用车

semaphore.acquire(); 占用信号量，最多两个线程同时占用

占用后任务执行完毕finally semaphore.release();释放信号量资源

下一个线程可以立马抢占

package com.cas;

import java.util.concurrent.Semaphore;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 * @author liuxu
 * @date 2021/11/11 21:04
 *
 */
public class SemaphoreDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Semaphore semaphore =new Semaphore(2);
        for (int i = 0; i <10 ; i++) {
            new Thread(()->{
                try {
                    semaphore.acquire();
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"抢到车位");
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"占用车位后释放");
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    semaphore.release();

                }
            },i+"").start();
        }



    }
}