JUC之CAS比较并交换

本文讨论了CAS操作在Java中的运用,包括其底层实现、自旋锁示例,以及ABA问题的出现与解决策略,如使用原子引用和时间戳版本号。

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CAS

原子类引入
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加入原子整型类的操作后,无锁化的操作
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CAS 比较并交换
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硬件级别的保证
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源码分析
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引出UnSafe类
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UnSafe源码分析
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unsafe中的do-while保证自旋

  public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
    int var5;
    do {
      var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
    } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));

    return var5;
  }

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CAS是一条CPU的原子指令,不会造成所谓的数据不一致问题
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native修饰的方法代表的是底层的方法
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CAS是靠硬件实现的,从而在硬件层面提升效率。最底层还是交给硬件来保证原子性和可见性。实现方式是基于硬件平台的汇编指令,在intel的CPU中(X86机器上),使用的是汇编指令cmpxchg指令。
核心思想就是:比较要更新变量的值V和预期值E(compare),相等才会将V的值设为新值N(swap),如果不相等自旋再来。

原子引用

public class TestAutomicReference {


  @ToString
  @Data
  @AllArgsConstructor
  static class Use{
    private String name;
    private int age;
  }

  public static void main(String[] args) {
    AtomicReference<Use> useAtomicReference = new AtomicReference<>();
    Use lisi = new Use("lisi", 10);
    useAtomicReference.set(lisi);
    Use zhangsan = new Use("zhangsan", 12);
    boolean b = useAtomicReference.compareAndSet(lisi, zhangsan);
    System.out.println("result:"+b+"\t\t"+useAtomicReference.get());
  }
}

CAS与自旋锁,借鉴CAS思想

自旋锁
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手写自旋锁demo

package com.aiguigu.juclearn.atomic;

/**
 * @author: Runqiang_Jiang
 * @Time: 2024/3/16  11:55
 */

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

/**
 * 题目:实现一个自旋锁
 * 自旋锁的好处:循环比较获取,没有类似wait的阻塞
 * 通过CAS操作完成自旋锁,A线程先进来调用myLock方法自己持有锁5秒钟,
 * B随后进来后发现当前有线程持有锁,所以只能通过自旋等待,知道啥A释放锁后B随后抢到
 */
public class SpinLockDemo {

  AtomicReference<Thread> atomicReference=new AtomicReference<>();

  public  void lock(){
    Thread thread = Thread.currentThread();

    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t"+"------come in");

    while (!atomicReference.compareAndSet(null, thread)) {

    }

  }

  public void unlock(){
    Thread thread = Thread.currentThread();

    atomicReference.compareAndSet(thread,null);
    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t"+"-----task over unlock");

  }

  public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

    SpinLockDemo spinLockDemo = new SpinLockDemo();

     new Thread(()->{
       spinLockDemo.lock();
       //暂停几秒钟
       try {
         TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
       } catch (InterruptedException e) {
         e.printStackTrace();
       }
       spinLockDemo.unlock();
     },"A").start();

     //暂停500毫秒,线程A先于线程B启动
     TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(500);


    new Thread(()->{
      spinLockDemo.lock();
      spinLockDemo.unlock();
    },"B").start();
  }

}

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CAS的两大缺点
1.循环时间长开销很大
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2.引出来ABA问题???
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解决方案:版本号时间戳原子引用
demo演示

package com.aiguigu.juclearn.atomic;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicStampedReference;
import lombok.AllArgsConstructor;
import lombok.Data;
import lombok.NoArgsConstructor;

/**
 * @author: Runqiang_Jiang
 * @Time: 2024/3/16  12:18
 */

@AllArgsConstructor
@NoArgsConstructor
@Data
class  Book{
  private int id;
  private String bookName;
}



public class AtomicStampedDemo {


  public static void main(String[] args) {

    Book java = new Book(1, "java");

    AtomicStampedReference<Book> stampedReference=new AtomicStampedReference<>(java,1);

    System.out.println(stampedReference.getReference()+"\t"+stampedReference.getStamp());

    Book mysql = new Book(2, "mysql");

    boolean b ;
        b= stampedReference.compareAndSet(java, mysql, stampedReference.getStamp(),
        stampedReference.getStamp() + 1);

    System.out.println(b+"\t"+stampedReference.getReference()+"\t"+stampedReference.getStamp());

    b= stampedReference.compareAndSet(mysql, java, stampedReference.getStamp(),
        stampedReference.getStamp() + 1);

    System.out.println(b+"\t"+stampedReference.getReference()+"\t"+stampedReference.getStamp());

  }
}

ABA后版本号有变化
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ABA多线程demo

package com.aiguigu.juclearn.atomic;

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

/**
 * @author: Runqiang_Jiang
 * @Time: 2024/3/16  12:31
 */

public class ABADemo {


  static AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(100);

  static AtomicStampedReference<Integer> stampedReference = new AtomicStampedReference<>(100,1);

  public static void main(String[] args) {

    new Thread(()->{
      int stamp = stampedReference.getStamp();
      System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t"+"首次版本号:"+stamp);
      //休眠保证后面的t4线程拿到的版本号与t3一样
      try {
        TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(500);
      } catch (InterruptedException e) {

      }
      stampedReference.compareAndSet(100,101,stampedReference.getStamp(),stampedReference.getStamp()+1);
      System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t"+"2次版本号:"+stampedReference.getStamp());


      stampedReference.compareAndSet(101,100,stampedReference.getStamp(),stampedReference.getStamp()+1);
      System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t"+"3次版本号:"+stampedReference.getStamp());
    },"t3").start();

    new Thread(()->{
      int stamp = stampedReference.getStamp();
      System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t"+"首次版本号:"+stamp);
      //等待t3线程发生了ABA的问题
      try {
        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
      } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
      }

      boolean b = stampedReference.compareAndSet(100, 2024, stamp, stamp + 1);


      System.out.println(b+"\t"+Thread.currentThread().getName()+"\t"+stampedReference.getReference()+"\t"+stampedReference.getStamp());

    },"t4").start();

  }

  private static void abahappens() {
    new Thread(()->{
      atomicInteger.compareAndSet(100,101);
      try {
        TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(10);
      } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
      }

      atomicInteger.compareAndSet(101,100);


    },"t1").start();

    new Thread(()->{
      try {
        TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(200);
      } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
      }
      boolean b = atomicInteger.compareAndSet(100, 2024);
      System.out.println(b+"\t"+atomicInteger.get());
    },"t2").start();
  }

}

版本号不一致,t4线程没有修改成功
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<think>嗯,用户让我介绍一下JUC里的Exchanger,我得先回忆一下相关知识。Exchanger是Java发工具中的一个类,主要用于两个线程之间交换数据。可能用户已经对CountDownLatch、CyclicBarrier这些有所了解,现在想扩展到更少见的同步工具。 首先,我需要确定Exchanger的基本概念。它允许两个线程在某个同步点交换彼此的数据。比如,一个线程生产数据,另一个消费,他们可以用Exchanger来交换数据。这点需要明确说明,可能用户需要知道使用场景。 然后,核心方法应该是exchange(),这个方法会阻塞直到另一个线程也调用它。可能还有带超时的版本。这里要详细说明方法的使用方式,以及可能抛出的异常,比如中断或超时。 接下来,需要考虑它的实现原理。记得Exchanger使用了类似双重槽位的设计,通过CAS操作来保证线程安全。可能涉及到LockSupport的park和unpark,或者自旋等待。这部分可能需要深入源码分析,但用户可能不需要太底层的细节,但作为超详细介绍,还是得提到。 使用场景方面,除了生产者-消费者,还有线程间数据交换的其他例子,比如游戏服务器中的玩家交易,或者管道化处理的不同阶段交换数据。需要举一些实际的例子,让用户更容易理解。 注意事项方面,线程数超过两个的情况,Exchanger可能不适用,会出问题。另外,exchange()的调用时机需要协调,否则可能线程一直阻塞。还要提醒处理中断和超时的情况,避免程序挂死。 可能用户是正在学习Java发编程的开发者,需要实际应用Exchanger解决问题,或者面试中遇到相关问题。需要给出一个简单的代码示例,比如两个线程交换字符串,这样直观明了。 还要比较Exchanger和其他同步工具的区别,比如和SynchronousQueue的不同。SynchronousQueue是传递数据,而Exchanger是双向交换,这可能容易混淆,需要澄清。 总结的时候,要强调Exchanger的适用场景和限制,帮助用户判断何时使用。另外,提醒线程间协作的必要性,以及正确使用的重要性,避免常见错误。</think>JUC之Exchanger超详细解析(附核心源码分析) Exchanger是Java发包(java.util.concurrent)中用于两个线程间交换数据的同步工具类。以下是分步骤详解: 一、核心特性 1. 双向数据交换 - 仅支持两个线程间的数据交换(❗超过两个线程会抛出异常) - 线程A调用exchange()时会阻塞,直到线程B也调用exchange() - 数据交换完成后,双方线程继续执行 2. 方法签名 ```java public V exchange(V x) throws InterruptedException public V exchange(V x, long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException, TimeoutException ``` 二、底层实现原理(基于JDK17) 1. 核心数据结构 ```java private static final class Node { int index; // 索引编号 int bound; // 边界值 int collides; // CAS失败次数 int hash; // 伪随机数 Object item; // 当前线程携带的数据 volatile Object match; // 配对线程返回的数据 volatile Thread parked; // 挂起的线程 } ``` 2. 交换流程 - 使用`Slot`数组实现多参与者模式(避免竞争) - 采用CAS+自旋实现无锁化操作 - 当发生哈希冲突时,通过`bound`和`collides`字段进行扩容控制 三、使用场景示例 ```java // 生产者-消费者模型 Exchanger<String> exchanger = new Exchanger<>(); // 生产者线程 new Thread(() -> { try { String data = "Product-"+System.currentTimeMillis(); String received = exchanger.exchange(data); System.out.println("Producer received: " + received); } catch (InterruptedException e) { Thread.currentThread().interrupt(); } }).start(); // 消费者线程 new Thread(() -> { try { String data = "Money-$100"; String received = exchanger.exchange(data); System.out.println("Consumer received: " + received); } catch (InterruptedException e) { Thread.currentThread().interrupt(); } }).start(); ``` 四、关键注意事项 1. 线程数量限制 - 严格仅支持两个线程交换数据 - 第三个线程调用exchange()会导致`IllegalStateException` 2. 超时控制 - 建议使用带超时的exchange方法 - 防止线程永久阻塞(默认最大等待时间约273年) 3. 中断处理 - 当线程被中断时抛出InterruptedException - 需要正确处理中断状态 五、性能优化技巧 1. 避免频繁创建 - Exchanger实例可重复使用 - 初始化成本较高(涉及内部数组的创建) 2. 对象复用 - 尽量复用交换对象(减少GC压力) - 推荐使用不可变对象 六、与SynchronousQueue对比 | 特性 | Exchanger | SynchronousQueue | |--------------------|-------------------|------------------| | 数据方向 | 双向交换 | 单向传递 | | 线程数量 | 严格两个 | 多个生产/消费者 | | 数据结构 | 无缓冲 | 可选公平策略 | | 适用场景 | 对等数据交换 | 生产-消费管道 | 七、源码级优化点 1. 消除伪共享 - 使用`@jdk.internal.vm.annotation.Contended`注解 - 对Node类进行缓存行填充(避免CPU缓存失效) 2. 哈希算法优化 ```java // 使用Marsaglia XorShift随机数算法 private static final int getProbe() { return ThreadLocalRandom.current().nextInt(); } ``` 常见问题解决方案: 1. 线程阻塞问题 - 使用`exchange(V x, long timeout, TimeUnit unit)`方法 - 设置合理的超时阈值 2. 数据竞争问题 - 建议交换不可变对象 - 如果必须使用可变对象,需要额外同步机制 适用场景建议: ✅ 游戏服务器玩家交易系统 ✅ 双线程数据校验核对 ✅ 管道式处理中间交换 ❌ 高吞吐量数据交换(推荐使用Disruptor)
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