java cas

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分类专栏： Java 线程文章标签： java 开发语言

于 2024-01-08 10:10:14 首次发布

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java cas

什么是CAS
意义
Java中的Atomic原子操作包
cas缺点
优化方式
- 以空间换时间：LongAdder
- 使用 AtomicStampedReference 解决 ABA 问题

什么是CAS

CAS, compare and swap的缩写，中文意思为比较并交换。
cas操作包含3个操作数，内存位置V，预期原值A，新值B。如果内存位置的值和预期原值相匹配，那么处理器会自动将该位置值更新为新值，否则，处理器不做任何操作。

意义

多线程修改共享变量时，线程并非处于阻塞状态，而是处于自旋态，所以并不会出现死锁的情况。

Java中的Atomic原子操作包

juc并发包中原子类，都存放在java.util.concurrent.atomic类路径下：
在这里插入图片描述
根据操作的目标数据类型，可以将juc包中的原子类分为4类:

基本原子类
数组原子类
原子引用类型
字段更新原子类

基本原子类

基本原子类的功能，是通过原子方式更新Java基础类型变量的值，基本原子类主要包括了以下三个:

AtomicInteger：整型原子类
AtomicLong：长整型原子类。
AtomicBoolean ：布尔型原子类。

数组原子类

数组原子类的功能，是通过原子方式更新数组里的某个元素的值，数组原子类主要包括以下三个：

AtomicIntegerArray：整型数组原子类
AtomicLongArray：长整型数组原子类。
AtomicReferenceArray ：引用类型数组原子类。

引用原子类

引用原子类主要包括了以下三个:

AtomicReference：引用类型原子类。
AtomicMarkableReference ：带有更新标记位的原子引用类型。
AtomicStampedReference ：带有更新版本号的原子引用类型。

AtomicStampedReference通过引入“版本”的概念，来解决ABA的问题。

字段更新原子类

字段更新原子类主要包括了以下三个：

AtomicIntegerFieldUpdater：原子更新整型字段的更新器。
AtomicLongFieldUpdater：原子更新长整型字段的更新器。
AtomicReferenceFieldUpdater：原子更新引用类型里的字段

源码解析

在这里插入图片描述
通过源码我们发现AtomicInteger的增减操作都调用了Unsafe 实例的方法，下面我们对Unsafe类做介绍。

unsafe类

Unsafe 是位于 sun.misc 包下的一个类，Unsafe 提供了CAS 方法，直接通过native 方式（封装 C++代码）调用了底层的 CPU 指令 cmpxchg。
Unsafe类，翻译为中文:危险的,Unsafe全限定名是 sun.misc.Unsafe，从名字中我们可以看出来这个类对普通程序员来说是“危险”的，一般应用开发者不会用到这个类。

   /*
@param o 包含要修改的字段的对象
@param offset 字段在对象内的偏移量
@param expected 期望值（旧的值）
@param update 更新值（新的值）
@return true 更新成功 | false 更新失败
*/
public final native boolean compareAndSwapObject(Object o, long offset, Object expected, Object update);
public final native boolean compareAndSwapInt( Object o, long offset, int expected,int update);
public final native boolean compareAndSwapLong( Object o, long offset, long expected, long update);

Unsafe 提供的 CAS 方法包含四个入参：包含要修改的字段对象、字段内存位置、预期原值及
新值。在执行 Unsafe 的 CAS 方法的时候，这些方法首先将内存位置的值与预期值（旧的值）比
较，如果相匹配，那么处理器会自动将该内存位置的值更新为新值，并返回 true ；如果不相匹配，
处理器不做任何操作，并返回 false 。

需要着重说明的是cas比较的是对象的引用。相当于==

cas缺点

ABA问题

ABA问题。因为CAS需要在操作值的时候检查下值有没有发生变化，如果没有发生变化则更新，但是如果一个值原来是A，变成了B，又变成了A，那么使用CAS进行检查时会发现它的值没有发生变化，但是实际上却变化了。

ABA问题带来的实际问题

ABA问题也并不是都会带来问题，如在AutomicInterger中，就会存在ABA问题，但是对最终结果并不造成影响，所以如果对于值类型的变量，ABA其实并不会造成什么问题，因为我们关注的是最终的值结果。
但如果我们操作的是引用类型，可能会带来意外的结果。
举例说明

ABA导致的链表删除

现有一个单项链表，表头为A，整体为A->B
此时线程t1想用B替换A，最终链表中只有B
在t1执行cas前，t2获得获得cpu执行权限，将A,B删除了(即B.next=null,)，在往链表中放入A,C,D,而此时B节点对象处理游离态，
然后t1获取了cpu，开始进行cas，因为A还在表头，所以t1执行成功了，替换为B了。但结果呢？
因为B是游离态，所以B.next=null, 此时结果变为：

此时链表的结构就被破坏了，解决办法就是如果发现节点被破坏了，就不进行操作了。

只能保证一个共享变量的原子操作

只能保证一个共享变量的原子操作。一个比较简单的规避方法为：把多个共享变量合并成一个共享变量来操作。 JDK 提供了 AtomicReference 类来保证引用对象之间的原子性，可以把多个变量放在一个 AtomicReference 实例后再进行 CAS 操作。比如有两个共享变量 i＝1、j=2，可以将二者合并成一个对象，然后用 CAS 来操作该合并对象的 AtomicReference 引用。

循环时间长开销大

循环时间长开销大。高并发下N多线程同时去操作一个变量，会造成大量线程CAS失败，然后处于自旋状态，导致严重浪费CPU资源，降低了并发性。
解决 CAS 恶性空自旋的较为常见的方案为：

分散操作热点，使用 LongAdder 替代基础原子类 AtomicLong。
使用队列削峰，将发生 CAS 争用的线程加入一个队列中排队，降低 CAS 争用的激烈程度。JUC 中非常重要的基础类 AQS（抽象队列同步器）就是这么做的。

优化方式

以空间换时间：LongAdder

LongAdder 的基本思路就是分散热点，如果有竞争的话，内部维护了多个Cell变量，每个Cell里面有一个初始值为0的long型变量，不同线程会命中到数组的不同Cell （槽）中，各个线程只对自己Cell（槽）中的那个值进行 CAS 操作。这样热点就被分散了，冲突的概率就小很多。
在没有竞争的情况下，要累加的数通过 CAS 累加到 base 上。
如果要获得完整的 LongAdder 存储的值，只要将各个槽中的变量值累加，后的值即可。

使用 AtomicStampedReference 解决 ABA 问题

JDK 的提供了一个类似 AtomicStampedReference 类来解决 ABA 问题。

AtomicStampReference 在 CAS 的基础上增加了一个 Stamp 整型印戳（或标记），使用这个印戳可以来觉察数据是否发生变化，给数据带上了一种实效性的检验。
AtomicStampReference 的 compareAndSet 方法首先检查当前的对象引用值是否等于预期引用，
并且当前印戳（ Stamp ）标志是否等于预期标志，如果全部相等，则以原子方式将引用值和印戳
（ Stamp ）标志的值更新为给定的更新值。