JUC之比较交换CAS

—— CAS&＃xff08;Compare And Swap&＃xff09;

没有 CAS 之前&＃xff0c;多线程环境下不使用原子类保证线程安全 i&＃43;&＃43;&＃xff0c;只能通过 synchronized 加锁的方式&＃xff0c;高并发多写情况下&＃xff0c;性能影响很大&＃xff1b;使用 CAS 之后&＃xff0c;可以使用原子类&＃xff08;Atomic &＃xff09;保证线程安全&＃xff0c;类似于 乐观锁

基本概念 & 底层原理

原理

• CAS&＃xff08;compare and swap&＃xff09;&＃xff1a;比较并交换&＃xff0c;是一条 CPU 并发原语&＃xff0c;它包含 3 个操作数——内存位置、预期原值、更新值&＃xff08;主内存值、工作内存值、更新值&＃xff09;
  • 执行 CAS 操作的时候&＃xff0c;将内存位置的值与预期原值比较&＃xff1b;
  • 如果 匹配&＃xff0c; 那么处理器会自动将 位置值 更新为 新值
  • 如果 不匹配&＃xff0c;处理器不做任何操作&＃xff0c;多个贤臣同时执行 CAS 操作 只有一个会成功
  • 当且仅当旧的预期值 和 内存值 相同时&＃xff0c;将 内存值 修改为 更新值&＃xff0c;否则什么都不做或重来&＃xff0c;当它重来重试的这种行为称为 自旋
    

硬件保证

• CAS 是 JDK 提供的非阻塞原子性操作&＃xff0c;它通过 硬件 保证了比较-更新的原子性&＃xff0c;它是非阻塞的且自身具有原子性&＃xff0c;效率更高&＃xff0c;且通过硬件保证&＃xff0c;更可靠
• CAS 是一条 CPU 的原子指令&＃xff08;cmpxchg指令【compare x change】&＃xff09;&＃xff0c;不会造成所谓的数据不一致问题&＃xff0c;Unsafe 提供的 CAS 方法底层实现即为 CPU 指令 cmpxchg
  • 执行cmpxchg指令时&＃xff0c;会判断当前系统是否为多核系统&＃xff0c;如果是就给总线加锁&＃xff0c;只有一个线程会对总线加锁成功&＃xff0c;加锁成功之后会执行 CAS 操作&＃xff0c;也就是说 CAS的原子性实际上是 CPU 实现独占的&＃xff0c;比起用 synchronized 重量级锁&＃xff0c;这里的排他时间要短很多&＃xff0c;所以在多线程情况下性能会更好

源码说明

public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);}


• 参数说明
  • this&＃xff1a;表示要操作的对象
  • valueOffset&＃xff1a;表示要操作对象中属性地址的偏移量
  • expect&＃xff1a;表示需要修改数据的期望的值
  • update&＃xff1a;表示需要修改为的新值

Unsafe 类详解

• 是 CAS 的核心类&＃xff0c;由于 Java 方法无法直接访问底层系统&＃xff0c;需要通过本地&＃xff08;native&＃xff09;方法来访问&＃xff0c;Unsafe 相当于一个后门&＃xff0c;基于该类可以直接操作特定内存的数据。Unsafe 类存在于 sun.misc 包中&＃xff0c;其内部方法操作可以像 C 的指针一样直接操作内存&＃xff0c;因为 Java 中 CAS 操作的执行依赖于 Unsafe 类的方法
• Unsafe 类中的所有方法都是 native 修饰的&＃xff0c;所以 Unsafe 类中的方法都直接调用操作系统底层资源执行相应任务
• 变量 valueOffset&＃xff0c;Unsafe 就是根据内存偏移地址来获取数据的
• 变量 value 用 volatile 修饰&＃xff0c;保证了多线程之间的内存可见性
• AtomicInteger 类主要利用 CAS &＃43; volatile &＃43; native 方法来保证原子操作&＃xff0c;从而避免 synchronized 的高开销&＃xff0c;执行效率大为提升
• CAS 并发原语体现在 Java 语言中就是 sun.misc.Unsafe 类中的各个方法。调用 Unsafe 类中的 CAS 方法&＃xff0c;JVM 会帮我们实现出 CAS 汇编指令。这是一种完全依赖于硬件的功能&＃xff0c;通过它实现了原子操作。由于 CAS 是一种系统原语&＃xff0c;原语属于操作系统用语范畴&＃xff0c;是由若干条指令组成的&＃xff0c;用于完成某个功能的一个过程&＃xff0c;并且原语的执行必须是连续的&＃xff0c;在执行过程中不允许被打断&＃xff0c;也就是说 CAS 是一条 CPU 的原子指令&＃xff0c;不会造成所谓的数据不一致问题

总结

• CAS 是靠硬件实现的&＃xff0c;从而在硬件层面提升效率&＃xff0c;最底层还是交给硬件来保证原子性和可见性
• 实现方式是基于硬件平台的汇编指令&＃xff0c;在 intel 的 CPU 中&＃xff08;X86机器&＃xff09;&＃xff0c;使用的是汇编指令 cmpxchg 指令
• 核心思想是&＃xff1a;比较要更新变量的值V和预期值E&＃xff0c;相等才会将V的值设置为新值 N&＃xff0c;如果不相等自旋

缺点

• 自旋引起的循环时间长&＃xff0c;CPU 开销大
• ABA 问题
  • CAS 算法实现一个重要前提是&＃xff0c;需要取出内存中某个时刻的数据并在当下时刻比较并交换&＃xff0c;那么在这个时间差会导致数据的变化
  • 比如一个线程A 从内存位置取出 1&＃xff0c;另一个线程B 也从内存中取出 1&＃xff0c;并且线程 B 进行了一些操作将 1 改为 2&＃xff0c;然后线程B 又将 2 改回了 1&＃xff0c;这时线程 A 进行CAS 操作发现内存中仍然是 1&＃xff0c;预期 OK &＃xff0c;进行操作更改
  • 尽管线程 A 的 CAS 操作成功&＃xff0c;但是不代表这个过程就是没有问题的

通过版本号戳记流水原子引用&＃xff08;AtomicStampedReference&＃xff09;可解决 ABA 问题

—— 原子类

基本类型原子类

• AtomicInteger
• AtomicBolean
• AtomicLong

数组类型原子类

• AtomicIntegerArray
• AtomicLongArray
• AtomicReferenceArray

引用类型原子类

AtomicReference

AtomicStampedReference

• 携带版本号的引用类型原子类&＃xff0c;可以解决 ABA 问题
• 解决修改过几次的问题
• 版本号流水戳原子引用

AtomicMarkableReference

• 原子更新带有标记位的引用类型对象
• 解决是否修改过&＃xff08;就是将版本号简化为 true|false&＃xff0c;类似于一次性使用&＃xff09;
• 状态戳&＃xff08;true、false&＃xff09;原子引用

对象的属性修改原子类

• AtomicIntegerFieldUpdater
• AtomicLongFieldUpdater
• AtomicReferenceFieldUpdater

原子操作增强类

• DoubleAccumulator
• DoubleAdder
• LongAccumulator
• LongAdder