JUC（CAS，原子类）

于 2024-12-04 18:58:08 发布
阅读量573 收藏 24
点赞数 18
分类专栏： Java并发编程 文章标签： java 开发语言
版权声明：本文为博主原创文章，遵循 CC 4.0 BY-SA 版权协议，转载请附上原文出处链接和本声明。
本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/weixin_47775373/article/details/144233081
版权

CAS

什么是CAS？

CAS的全程是Compare-And-Swap,直译就是比较交换，是一条CPU的原子指令，其作用是让CPU先进行比较两个值是否相等，然后原子地更新某个位置的值。CAS是靠硬件实现的，JVM封装了汇编调用，CAS操作是在操作期间比较之前的旧值有没有发生变化，如果没有发生变化，才交换新值，发生变化则不交换。

CAS使用示例

如果不使用CAS，在高并发下，多线程同时修改一个变量的值我们需要synchronized加锁(可能有人说可以用Lock加锁，Lock底层的AQS也是基于CAS进行获取锁的)。

public class Test {
    private int i=0;
    public synchronized int add(){
        return i++;
    }
}

java中为我们提供了AtomicInteger 原子类(底层基于CAS进行更新数据的)，不需要加锁就在多线程并发场景下实现数据的一致性。

public class Test {
    private  AtomicInteger i = new AtomicInteger(0);
    public int add(){
        return i.addAndGet(1);
    }
}

CAS的问题

CAS方式为乐观锁、synchronized为悲观锁。因为使用CAS性能更优。

但使用CAS也会有其他的问题。

ABA问题

因为CAS需要在操作值的时候，检查值有没有发生变化，比如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进行检查时则会发现它的值没有发生变化，但是实际上却变化了。

ABA问题的解决思路就是使用版本号。在变量前面追加上版本号，每次变量更新的时候把版本号加1，那么A->B->A就会变成1A->2B->3A。

从Java 1.5开始，JDK的Atomic包里提供了一个类AtomicStampedReference来解决ABA问题。这个类的compareAndSet方法的作用是首先检查当前引用是否等于预期引用，并且检查当前标志是否等于预期标志，如果全部相等，则以原子方式将该引用和该标志的值设置为给定的更新值。

 循环时间长开销大

自旋CAS如果长时间不成功，会给CPU带来非常大的执行开销。

只能保证一个共享变量的原子操作

当对一个共享变量执行操作时，我们可以使用循环CAS的方式来保证原子操作，但是对多个共享变量操作时，循环CAS就无法保证操作的原子性，这个时候就可以用锁。

从Java 1.5开始，JDK提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性，就可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作。

原子类

AtomicInteger

以 AtomicInteger 为例，常用 API：

public final int get()：获取当前的值
public final int getAndSet(int newValue)：获取当前的值，并设置新的值
public final int getAndIncrement()：获取当前的值，并自增
public final int getAndDecrement()：获取当前的值，并自减
public final int getAndAdd(int delta)：获取当前的值，并加上预期的值
void lazySet(int newValue): 最终会设置成newValue,使用lazySet设置值后，可能导致其他线程在之后的一小段时间内还是可以读到旧的值。

相比 Integer 的优势，多线程中让变量自增：

private volatile int count = 0;
// 若要线程安全执行执行 count++，需要加锁
public synchronized void increment() {
    count++;
}
public int getCount() {
    return count;
}

 使用 AtomicInteger 后：

private AtomicInteger count = new AtomicInteger();
public void increment() {
    count.incrementAndGet();
}
// 使用 AtomicInteger 后，不需要加锁，也可以实现线程安全
public int getCount() {
    return count.get();
}

源码解析

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
    private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
    private static final long valueOffset;
    static {
        try {
            //用于获取value字段相对当前对象的“起始地址”的偏移量
            valueOffset = unsafe.objectFieldOffset(AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
        } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
    }

    private volatile int value;

    //返回当前值
    public final int get() {
        return value;
    }

    //递增加detla
    public final int getAndAdd(int delta) {
        //三个参数，1、当前的实例 2、value实例变量的偏移量 3、当前value要加上的数(value+delta)。
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta);
    }

    //递增加1
    public final int incrementAndGet() {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
    }
...
}

我们可以看到 AtomicInteger 底层用的是volatile的变量和CAS来进行更改数据的。

  • volatile保证线程的可见性，多线程并发时，一个线程修改数据，可以保证其它线程立马看到修改后的值
  • CAS 保证数据更新的原子性。

所有的原子类

使用原子的方式更新基本类型，Atomic包提供了以下3个类。

  • AtomicBoolean: 原子更新布尔类型。
  • AtomicInteger: 原子更新整型。
  • AtomicLong: 原子更新长整型。

以上3个类提供的方法几乎一模一样，可以参考上面AtomicInteger中的相关方法

原子更新数组

通过原子的方式更新数组里的某个元素，Atomic包提供了以下的3个类：

  • AtomicIntegerArray: 原子更新整型数组里的元素。
  • AtomicLongArray: 原子更新长整型数组里的元素。
  • AtomicReferenceArray: 原子更新引用类型数组里的元素。

这三个类的最常用的方法是如下两个方法：

  • get(int index)：获取索引为index的元素值。
  • compareAndSet(int i,E expect,E update): 如果当前值等于预期值，则以原子方式将数组位置i的元素设置为update值。

举个AtomicIntegerArray例子：

import java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerArray;

public class Demo5 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        AtomicIntegerArray array = new AtomicIntegerArray(new int[] { 0, 0 });
        System.out.println(array);
        System.out.println(array.getAndAdd(1, 2));
        System.out.println(array);
    }
}

输出结果：

[0, 0]
0
[0, 2]

原子更新引用类型

Atomic包提供了以下三个类：

  • AtomicReference: 原子更新引用类型。
  • AtomicStampedReference: 原子更新引用类型, 内部使用Pair来存储元素值及其版本号。
  • AtomicMarkableReferce: 原子更新带有标记位的引用类型。

这三个类提供的方法都差不多，首先构造一个引用对象，然后把引用对象set进Atomic类，然后调用compareAndSet等一些方法去进行原子操作，原理都是基于Unsafe实现，但AtomicReferenceFieldUpdater略有不同，更新的字段必须用volatile修饰。

举个AtomicReference例子：

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;

public class AtomicReferenceTest {
    
    public static void main(String[] args){

        // 创建两个Person对象，它们的id分别是101和102。
        Person p1 = new Person(101);
        Person p2 = new Person(102);
        // 新建AtomicReference对象，初始化它的值为p1对象
        AtomicReference ar = new AtomicReference(p1);
        // 通过CAS设置ar。如果ar的值为p1的话，则将其设置为p2。
        ar.compareAndSet(p1, p2);

        Person p3 = (Person)ar.get();
        System.out.println("p3 is "+p3);
        System.out.println("p3.equals(p1)="+p3.equals(p1));
    }
}

class Person {
    volatile long id;
    public Person(long id) {
        this.id = id;
    }
    public String toString() {
        return "id:"+id;
    }
}

结果输出：

p3 is id:102
p3.equals(p1)=false

结果说明：

  • 新建AtomicReference对象ar时，将它初始化为p1。
  • 紧接着，通过CAS函数对它进行设置。如果ar的值为p1的话，则将其设置为p2。
  • 最后，获取ar对应的对象，并打印结果。p3.equals(p1)的结果为false，这是因为Person并没有覆盖equals()方法，而是采用继承自Object.java的equals()方法；而Object.java中的equals()实际上是调用"=="去比较两个对象，即比较两个对象的地址是否相等。

原子更新字段类

Atomic包提供了四个类进行原子字段更新：

  • AtomicIntegerFieldUpdater: 原子更新整型的字段的更新器。
  • AtomicLongFieldUpdater: 原子更新长整型字段的更新器。
  • AtomicReferenceFieldUpdater: 上面已经说过此处不在赘述。

这四个类的使用方式都差不多，是基于反射的原子更新字段的值。要想原子地更新字段类需要两步:

  • 第一步，因为原子更新字段类都是抽象类，每次使用的时候必须使用静态方法newUpdater()创建一个更新器，并且需要设置想要更新的类和属性。
  • 第二步，更新类的字段必须使用public volatile修饰。

举个例子：

public class TestAtomicIntegerFieldUpdater {

    public static void main(String[] args){
        TestAtomicIntegerFieldUpdater tIA = new TestAtomicIntegerFieldUpdater();
        tIA.doIt();
    }

    public AtomicIntegerFieldUpdater<DataDemo> updater(String name){
        return AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(DataDemo.class,name);

    }

    public void doIt(){
        DataDemo data = new DataDemo();
        System.out.println("publicVar = "+updater("publicVar").getAndAdd(data, 2));
        /*
            * 由于在DataDemo类中属性value2/value3,在TestAtomicIntegerFieldUpdater中不能访问
            * */
        //System.out.println("protectedVar = "+updater("protectedVar").getAndAdd(data,2));
        //System.out.println("privateVar = "+updater("privateVar").getAndAdd(data,2));

        //System.out.println("staticVar = "+updater("staticVar").getAndIncrement(data));//报java.lang.IllegalArgumentException
        /*
            * 下面报异常：must be integer
            * */
        //System.out.println("integerVar = "+updater("integerVar").getAndIncrement(data));
        //System.out.println("longVar = "+updater("longVar").getAndIncrement(data));
    }

}

class DataDemo{
    public volatile int publicVar=3;
    protected volatile int protectedVar=4;
    private volatile  int privateVar=5;

    public volatile static int staticVar = 10;
    //public  final int finalVar = 11;

    public volatile Integer integerVar = 19;
    public volatile Long longVar = 18L;

}

再说下对于AtomicIntegerFieldUpdater 的使用稍微有一些限制和约束，约束如下：

  • 字段必须是volatile类型的，在线程之间共享变量时保证立即可见.eg:volatile int value = 3

  • 字段的描述类型(修饰符public/protected/default/private)是与调用者与操作对象字段的关系一致。也就是说调用者能够直接操作对象字段，那么就可以反射进行原子操作。但是对于父类的字段，子类是不能直接操作的，尽管子类可以访问父类的字段。

  • 只能是实例变量，不能是类变量，也就是说不能加static关键字。

  • 只能是可修改变量，不能使final变量，因为final的语义就是不可修改。实际上final的语义和volatile是有冲突的，这两个关键字不能同时存在。

  • 对于AtomicIntegerFieldUpdater和AtomicLongFieldUpdater只能修改int/long类型的字段，不能修改其包装类型(Integer/Long)。如果要修改包装类型就需要使用AtomicReferenceFieldUpdater。

AtomicStampedReference解决ABA问题

AtomicStampedReference主要维护包含一个对象引用以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 AtomicStampedReference<V> {
    private static class Pair<T> {
        final T reference;  //维护对象引用
        final int stamp;  //用于标志版本
        private Pair(T reference, int stamp) {
            this.reference = reference;
            this.stamp = stamp;
        }
        static <T> Pair<T> of(T reference, int stamp) {
            return new Pair<T>(reference, stamp);
        }
    }
    private volatile Pair<V> pair;
    ....
    
    /**
      * expectedReference ：更新之前的原始值
      * newReference : 将要更新的新值
      * expectedStamp : 期待更新的标志版本
      * newStamp : 将要更新的标志版本
      */
    public boolean compareAndSet(V   expectedReference,
                             V   newReference,
                             int expectedStamp,
                             int newStamp) {
        // 获取当前的(元素值，版本号)对
        Pair<V> current = pair;
        return
            // 引用没变
            expectedReference == current.reference &&
            // 版本号没变
            expectedStamp == current.stamp &&
            // 新引用等于旧引用
            ((newReference == current.reference &&
            // 新版本号等于旧版本号
            newStamp == current.stamp) ||
            // 构造新的Pair对象并CAS更新
            casPair(current, Pair.of(newReference, newStamp)));
    }

    private boolean casPair(Pair<V> cmp, Pair<V> val) {
        // 调用Unsafe的compareAndSwapObject()方法CAS更新pair的引用为新引用
        return UNSAFE.compareAndSwapObject(this, pairOffset, cmp, val);
    }

  • 如果元素值和版本号都没有变化，并且和新的也相同，返回true；

  • 如果元素值和版本号都没有变化，并且和新的不完全相同，就构造一个新的Pair对象并执行CAS更新pair。

可以看到，java中的实现跟我们上面讲的ABA的解决方法是一致的。

  • 首先，使用版本号控制；

  • 其次，不重复使用节点(Pair)的引用，每次都新建一个新的Pair来作为CAS比较的对象，而不是复用旧的；

  • 最后，外部传入元素值及版本号，而不是节点(Pair)的引用。

评论
添加红包

请填写红包祝福语或标题

个

红包个数最小为10个

元

红包金额最低5元

当前余额3.43元 前往充值 >
需支付：10.00元
成就一亿技术人!
领取后你会自动成为博主和红包主的粉丝 规则
hope_wisdom
发出的红包
实付元
使用余额支付
点击重新获取
扫码支付
钱包余额 0

抵扣说明：

1.余额是钱包充值的虚拟货币，按照1:1的比例进行支付金额的抵扣。
2.余额无法直接购买下载，可以购买VIP、付费专栏及课程。

余额充值