Java线程安全之CAS原子操作

最新推荐文章于 2025-07-06 09:45:04 发布

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本文深入探讨了线程安全的概念，包括竞态条件、共享资源、不可变对象及原子操作的重要性。重点介绍了CAS（比较并交换）机制，解释了其在解决多线程环境下线程安全问题的应用，以及CAS操作的限制。

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首先介绍一下线程安全的概念：

1.竞态条件与临界区
多个线程访问了相同的资源，向这些资源做了写操作时，对执行顺序有要求。
临界区：方法内部某些部分区域代码，如果多线程执行时，会对结果产生不可预测影响。
竞态条件：当临界区代码被多线程执行时，产生竞态条件。

2.共享资源
如果一段代码是线程安全的，则它不包含竞态条件。只有当多个线程更新共享资源时，才会产生竞态条件
栈封闭时，不会在线程之间共享变量，因此是线程安全的
局部对象引用本身不共享，但是引用的对象存储在共享堆中。如果在方法内创建对象，只是在线程内部传递，并且不对其他线程可用，那么也是线程安全的

3.不可变对象
实例被创建后，对象相关变量就不能再被修改，这就是不可变性。创建不可变的共享对象来保证对象在线程之间共享时不会被修改，从而实现线程安全。

原子操作

为了解决多线程同时写的线程安全，需要实现原子操作
原子操作可以是一个步骤，也可以是多个步骤，但是其顺序不可以被打乱，也不可以被切割而只执行其中的一部分（不可中断性）。将整个操作是为一个整体，资源在该次操作中保持一致，这就是原子性的核心特征。存在竞态条件时，线程不安全，需要转变为原子操作才能实现线程安全，方式：CAS，锁。本篇主要介绍CAS操作。

CAS机制

CAS(Compare and swap)比较和交换，属于硬件同步原语，处理器提供了基本内存操作的原子性保证。CAS操作需要输入两个数值，一个旧值A（期望操作前的值）和一个新的值B，在操作期间先比较下旧值有没有发生变化，如果没有发生变化，才会换成新值，发生了变化则不会换成新值。

Java中的sun.misc.Unsafe类，提供了compareAndSwapXxx()等几个native方法实现CAS，J.U.C并发包中大量用到了这些方法。
Unsafe对象不能直接使用Unsafe.getUnsafe()获取，具体使用方式如下：

Field theUnsafe = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
theUnsafe.setAccessible(true);
Unsafe unsafe = theUnsafe.get(null);
long valueOffset = unsafe.objectFieldOffset(ClassName.class.getDeclaredField("fieldName"));
int current = unsafe.getIntVolatile(object, valueOffset);
boolean isSuccess = unsafe.compareAndSwapInt(object, valueOffset, current, current+addValue);

CAS的三个问题：
循环+CAS，自旋的实现让所有线程都处于高频运行、争抢CPU执行时间的状态。如果操作长时间不成功，会带来很大的CPU资源消耗
仅能针对单个变量的原子操作，不能用于多个变量来实现原子操作
ABA问题，无法体现出数据的变动