学习笔记day10(CAS原理)

原博客地址：https://blog.youkuaiyun.com/qq_37113604/article/details/81582784

1、什么是CAS？

CAS加volatile关键字是实现并发包的基石。没有CAS就不会有并发包，synchronized是一种独占锁、悲观锁，java.util.concurrent中借助了CAS指令实现了一种区别于synchronized的一种乐观锁。核心是冲突检测和数据更新

CAS操作包含三个操作数-内存位置、期望值、和新值，如果内存位置的值与期望值匹配
那么处理器会自动将该位置更新为新值，否则，处理器不作任何操作。
 

2、CAS的实现原理是什么？
CAS通过调用JNI的代码实现，JNI（允许java调用其他语言）
而compareAndSwapxxx系列的方法就是借助C语言来调用cpu底层指令实现的
最终映射到的cpu的指令为cmpxchg 这是一个原子指令 cpu执行此命令时，实现比较并替换的操作

代码模拟CAS的实现：

package cn.mrhan.java.cas;

import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 * @Author hanYu
 * @Date 2021/8/23
 * @Description
 **/
public class CasDemo {
    //总访问量
    static volatile int count = 0 ;
    //模拟访问的方法
    public static  void request() throws InterruptedException{
        //模拟耗时5毫秒
        TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(5);

        int expectCount;
        while (!compareAndSwap((expectCount=getCount()),expectCount+1)){};
    }

    /**
     * 此方法模拟CAS的实现原理 即当线程发现拿到的值和期待的值相等时，将拿到的值加1操作
     * @param expectCount
     * @param newCount
     * @return
     */
    public static synchronized boolean compareAndSwap(int expectCount,int newCount){
        if(getCount()==expectCount){
            count = newCount;
            return true;
        }
        return false;
    }

    public static int getCount(){
        return count;
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //开始时间
        long startTime = System.currentTimeMillis();
        int threadSize = 100;
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threadSize);
        for(int i=0;i<threadSize;i++){
            Thread thread = new Thread(()->{
                try {
                    for(int j=0;j<10;j++){
                        request();
                    }
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    countDownLatch.countDown();
                }
            });
            thread.start();
        }
        //保证100个线程运行完之后再执行后面代码
        countDownLatch.await();
        long endTime = System.currentTimeMillis();
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"耗时："+(endTime-startTime)+"毫秒"+",总访问量count="+count);
    }

}

3、cmpxchg怎么保证多核心下的线程安全？

系统底层进行CAS操作的时候，会判断当前系统是否为多线程系统，如果是，就给总线加锁
只有一个线程会对总线加锁成功，加锁成功之后会执行CAS操作，也就是说CAS的原子行是平台级别的

4、CAS存在哪些问题

ABA问题、循环时间长开销大、只能保证一个共享变量的原子操作

5、ABA问题

CAS 需要在操作值的时候检查值有没有发生变化，如果没有发生变化则更新 但是如果一个值原来是A ，在CAS方法执行之前 呗其他线程修改还为了B 然后又修改回了A 那么CAS方法执行检查的时候会发现它的值没有发生变化 但是实际上却变化了

代码模拟ABA问题

package cn.mrhan.java.cas;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

/**
 * @Author hanYu
 * @Date 2021/8/23
 * @Description
 **/

/**
 * CAS 需要在操作值的时候检查值有没有发生变化，如果没有发生变化则更新 但是如果一个值原来是A ，在CAS方法执行之前 呗其他线程修改还为了B 然后又修改回了A 那么CAS方法执行检查的时候会发现它的值没有发生变化 但是实际上却变化了
 *
 * 如何解决ABA问题？
 * 解决ABA最简单的方案就是给值加一个修改版本号，每次值变化 都会修改它的版本号CAS操作时候都会去对比此版本号
 * java中ABA解决方法
 * AtomicStampedReference主要包含一个对象引用及一个可以自动更新的整数stamp的pair对象来解决ABA问题
 */
public class CASABADemo {

    public static AtomicInteger a = new AtomicInteger(1);


    public static void main(String[] args) {
        Thread main = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("操作线程"+Thread.currentThread().getName()+"初始值："+a.get());
                try {
                    int expectNum = a.get();
                    int newNum = expectNum+1;
                    Thread.sleep(1000);//让主线程休眠一秒钟 让出CPU
                    Boolean isSuccess = a.compareAndSet(expectNum,newNum);
                    System.out.println("操作线程"+Thread.currentThread().getName()+"CAS操作："+isSuccess);
                }catch (Exception e){
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        },"主线程");


        Thread other = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try{
                    Thread.sleep(20);//确保main线程优先执行
                    a.incrementAndGet();//a+1 a=2
                    System.out.println("操作线程"+Thread.currentThread().getName()+"[increment],值="+a.get());
                    a.decrementAndGet();//a-1 a=1
                    System.out.println("操作线程"+Thread.currentThread().getName()+"[decrement],值="+a.get());
                }catch (Exception e){
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        },"干扰线程");

        main.start();
        other.start();
    }

/**
 * 运行结果：
 * 操作线程主线程初始值：1

     * 操作线程干扰线程[increment],值=2
     * 操作线程干扰线程[decrement],值=1
     * 操作线程主线程CAS操作：true
     */
}

6、如何解决ABA问题

解决ABA最简单的方案就是给值加一个修改版本号，每次值变化 都会修改它的版本号CAS操作时候都会去对比此版本号
java中ABA解决方法
AtomicStampedReference主要包含一个对象引用及一个可以自动更新的整数stamp的pair对象来解决ABA问题

代码示例

package cn.mrhan.java.cas;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicStampedReference;

/**
 * @Author hanYu
 * @Date 2021/8/23
 * @Description
 **/
public class CASABADemo2 {
    public static AtomicStampedReference<Integer> a = new AtomicStampedReference(new Integer(1),1);

    public static void main(String[] args) {
        Thread main = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("操作线程"+Thread.currentThread().getName()+"初始值："+a.getReference());
                try {
                    Integer expectReference = a.getReference();
                    Integer newReference = expectReference+1;
                    Integer expectStamp = a.getStamp();
                    Integer newStamp = expectStamp+1;
                    Thread.sleep(1000);//让主线程休眠一秒钟 让出CPU
                    Boolean isSuccess = a.compareAndSet(expectReference,newReference,expectStamp,newStamp);
                    System.out.println("操作线程"+Thread.currentThread().getName()+"CAS操作："+isSuccess);
                }catch (Exception e){
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        },"主线程");


        Thread other = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try{
                    Thread.sleep(20);//确保main线程优先执行
                    a.compareAndSet(a.getReference(),(a.getReference()+1),a.getStamp(),a.getStamp()+1);
                    System.out.println("操作线程"+Thread.currentThread().getName()+"[increment],值="+a.getReference());
                    a.compareAndSet(a.getReference(),(a.getReference()-1),a.getStamp(),a.getStamp()-1);
                    System.out.println("操作线程"+Thread.currentThread().getName()+"[decrement],值="+a.getReference());
                }catch (Exception e){
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        },"干扰线程");

        main.start();
        other.start();
    }
    /**
     * 运行结果：
     * 操作线程主线程初始值：1
     * 操作线程干扰线程[increment],值=2
     * 操作线程干扰线程[decrement],值=1
     * 操作线程主线程CAS操作：false
     * false说明主线程对干扰线程的操作是有感知的 即解决了ABA问题
     */

}