Java CAS基本實現原理代碼實例解析

一、前言

了解CAS,首先要清楚JUC,那么什么是JUC呢？JUC就是java.util.concurrent包的簡稱。它有核心就是CAS與AQS。CAS是java.util.concurrent.atomic包的基礎，如AtomicInteger、AtomicBoolean、AtomicLong等等類都是基于CAS。

什么是CAS呢？全稱Compare And Swap，比較并交換。CAS有三個操作數，內存值V，舊的預期值E，要修改的新值N。當且僅當預期值E和內存值V相同時，將內存值V修改為N，否則什么都不做。

二、實例

如果我們需要對一個數進行加法操作，應該怎樣去實現呢？我們模擬多個線程情況下進行操作。

ThreadDemo.java 實現一個Runnable接口

package com.spring.security.test;public class ThreadDemo implements Runnable {private int count = 0;@Overridepublic void run() {for (int i = 0; i < 100; i++) {addCount();}}private void addCount() {count++;}public int getCount() {return count;}}

ThreadTest.java 創建線程池，提交10個線程執行，預期結果應該是1000

package com.spring.security.test;import java.util.concurrent.ExecutorService;import java.util.concurrent.Executors;public class ThreadTest {public static void main(String[] args) {ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(10);ThreadDemo threadDemo = new ThreadDemo();for (int i = 0; i < 10; i++) {threadPool.submit(threadDemo);} threadPool.shutdown();System.out.println(threadDemo.getCount());}}

運行結果：874 或其他，與預期結果不符合。

執行出來的結果并不是想象中的結果。這是為什么呢？這跟線程的執行過程有關。

所以我們需要在改變count，將值從高速緩沖區刷新到主內存后，讓其他線程重新讀取主內存中的值到自己的工作內存。

此時可以用volatile關鍵字。它的作用是保證對象在內存中的可見性。

修改ThreadDemo中的count字段

private volatile int count = 0;

此時執行結果：900 或其他，與預期結果不符合。

此時還是并未得出正確執行結果。為什么？聽我細細道來。

線程安全主要體現在三個方面：

原子性：提供了互斥訪問，同一時刻只能有一個線程對它進行操作 可見性：一個線程對主內存的修改可以及時的被其他線程觀察到 有序性：一個線程觀察其他線程中的指令執行順序，由于指令重排序的存在，該觀察結果一般雜亂無序

目前可見性已經實現了，缺少原子性的操作，因為同一時刻，多個線程對其操作，會將改動后的最新值讀取到自己的工作內存進行操作，最終只能得到后一個執行線程操作的結果，所以相當于少了一步操作，就會造成數據的不一致。

此時可以使用JUC的Atomic包下面的類來進行操作。

Atomic類是使用CAS+volatile來實現原子性與可見性的。

我們來改造一下TheadDemo.java中的實現方法

package com.spring.security.test;import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;public class ThreadDemo implements Runnable {private AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);@Overridepublic void run() {for (int i = 0; i < 100; i++) {// 遞增count.getAndIncrement();}}public int getCount() {return count.get();}}

執行結果： 1000，符合預期值。

接下來我們來分析一下AtomicInteger類的源碼：

private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();private static final long valueOffset;static { try { valueOffset = unsafe.objectFieldOffset (AtomicInteger.class.getDeclaredField('value')); } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }}private volatile int value;

Unsafe類是不安全的類，它提供了一些底層的方法，我們是不能使用這個類的。AtomicInteger的值保存在value中，而valueOffset是value在內存中的偏移量，利用靜態代碼塊使其類一加載的時候就賦值。value值使用volatile，保證其可見性。

/** * Atomically increments by one the current value. * * @return the previous value */ public final int getAndIncrement() { return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1); }

public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {int var5;do {var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);} while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));return var5;}

var1表示當前對象，var2表示value在內存中的偏移量，var4為增加的值。var5為調用底層方法獲取value的值

compareAndSwapInt方法通過var1和var2獲取當前內存中的value值，并與var5進行比對，如果一致，就將var5+var4的值賦給value,并返回true,否則返回false

由do while語句可知，如果這次沒有設置進去值，就重復執行此過程。這一過程稱為自旋。

compareAndSwapInt是JNI(Java Native Interface)提供的方法，可以是其他語言寫的。

三、與synchronized比較

使用synchronized進行加法：

package com.spring.security.test;public class ThreadDemo implements Runnable {private int count = 0;@Overridepublic void run() {for (int i = 0; i < 100; i++) {// 遞增synchronized (ThreadDemo.class) {count++;}}}public int getCount() {return count;}}

運行結果： 1000，符合預期值。

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使用synchronized和AtomicInteger都能得到預期結果，但是他們之間各有什么劣勢呢？

synchronized是重量級鎖，是悲觀鎖，就是無論你線程之間發不發生競爭關系，它都認為會發生競爭，從而每次執行都會加鎖。

在并發量大的情況下，如果鎖的時間較長，那將會嚴重影響系統性能。

CAS操作中我們可以看到getAndAddInt方法的自旋操作，如果長時間自旋，那么肯定會對系統造成壓力。而且如果value值從A->B->A,那么CAS就會認為這個值沒有被操作過，這個稱為CAS操作的'ABA'問題。

以上就是本文的全部內容，希望對大家的學習有所幫助，也希望大家多多支持好吧啦網。