多线程安全性:手写CAS机制和Lock实现

本文探讨了多线程环境下i++操作的线程不安全问题,介绍了原子性的重要性,并详细讲解了CAS(Compare And Swap)机制的工作原理,包括其在Java中的Unsafe类实现。此外,还讨论了CAS机制的局限性,如可能导致的CPU资源消耗过高。文章进一步展示了如何手写Lock的lock()和unlock()方法,利用AtomicReference的compareAndSet()实现线程安全。

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一、线程常见的 i++ 问题:使得i++ 循环执行20000次,最后打印出20000;

public class DemoCas {

	int i = 0;
	public void incr(){
		i++;
	}
	public static void main(String[] args) {
		DemoCas demo = new DemoCas();
		for(int i =0;i<2;i++){
			new Thread(()->{
				for(int j=0;j<10000;j++){
					demo.incr();
				}
			}).start();
		}
		try {
			Thread.sleep(2000);
			System.out.println("i="+demo.i);
		} catch (InterruptedException e) {
			// TODO Auto-generated catch block
			e.printStackTrace();
		}
		
	}
}

 

 执行结果:i是不定值,一般情况下会少于20000.

多线程的原子性:原子操作可以是一个步骤,也可以是多个操作步骤,但是顺序不能被打乱,也不可以被切割而只执行其中的一部分。将整个操作视为一个整体是原子性的核心特征。

执行i++操作会被分为三个步骤执行:

1、获取 i 的值

2、进行i+1

3、把i+1的值赋给i

CPU中的线程去获取i值进行操作时不满足原子性,两个线程获取的i值

### 实现自定义AQS同步器 为了创建一个基于`AbstractQueuedSynchronizer`(简称AQS)的自定义同步组件,在设计之初应当明确该同步机制的核心逻辑——即如何管理共享资源的状态(state),以及在此基础上构建锁或其他同步工具的具体行为模式[^2]。 #### 定义同步状态的操作方法 在继承AQS类之后,开发者主要需关注两个方面的方法实现: - **独占式获取与释放**:通过覆写`tryAcquire(int arg)``tryRelease(int arg)`函数来规定尝试占有或者放弃独占权限的行为准则。这通常涉及到对内部state变量的安全修改,确保这些变更能够在线程间保持一致性原子性。 - **共享式获取与释放**:如果希望支持多个线程同时访问,则要覆盖`tryAcquireShared(int arg)` `tryReleaseShared(int arg)` 方法,它们决定了是否允许多个请求者共同持有资源。 下面是一个简单的例子展示了一个只允许单一线程执行的关键区域控制结构OnlySyncByAQS: ```java import java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer; public class OnlySyncByAQS { private final Sync sync = new Sync(); public void lock() { sync.acquire(1); } public void unlock() { sync.release(1); } private static final class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer { protected boolean tryAcquire(int acquires) { if (compareAndSetState(0, 1)) { // 使用CAS操作保证设置状态时的原子性 setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread()); return true; } return false; } protected boolean tryRelease(int releases) { if (getState() == 0) throw new IllegalMonitorStateException(); clearExclusiveOwnerThread(); setState(0); return true; } protected boolean isHeldExclusively() { return getState() == 1 && getExclusiveOwnerThread() != null; } Condition newCondition() { return new ConditionObject(); } } } ``` 上述代码片段展示了如何利用AQS框架快速搭建起基本功能完整的互斥锁定装置,并且可以通过调整`tryAcquire()`中的条件表达式来自定义更复杂的业务规则[^3]。 此外,值得注意的是,这里的`setState()`、`compareAndSetState()`等都是由父类提供的用于安全地改变同步状态的基础API;而`setExclusiveOwnerThread()`则是用来记录当前拥有独占权的线程对象的信息[^4]。 最后,关于`state`字段的理解至关重要,它作为整个同步过程的灵魂所在,不仅代表着资源的实际可用情况,还可能承载着诸如重入次数之类的额外含义。例如,在可重入锁的设计里,每当同一线程再次申请已持有的锁时,就会相应增加此计数器的值,直至最终全部解锁为止[^5]。
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