java多线程CAS的介绍

发布时间:2021-06-22 13:49:16 作者:chen
来源:亿速云 阅读:156
# Java多线程CAS的介绍

## 目录
1. [什么是CAS](#什么是cas)
2. [CAS的实现原理](#cas的实现原理)
3. [Java中的CAS操作](#java中的cas操作)
4. [CAS的优缺点](#cas的优缺点)
5. [CAS的应用场景](#cas的应用场景)
6. [CAS的ABA问题及解决方案](#cas的aba问题及解决方案)
7. [总结](#总结)

<a name="什么是cas"></a>
## 1. 什么是CAS

CAS(Compare And Swap,比较并交换)是一种无锁的原子操作,它可以在多线程环境下保证数据的一致性。CAS操作包含三个操作数:内存位置(V)、预期原值(A)和新值(B)。当且仅当内存位置V的值等于预期原值A时,处理器才会将该位置的值更新为新值B,否则不执行任何操作。无论哪种情况,CAS操作都会返回内存位置V的当前值。

CAS是一种乐观锁的实现方式,它假设在大多数情况下不会发生冲突,因此不需要加锁,从而提高了并发性能。

<a name="cas的实现原理"></a>
## 2. CAS的实现原理

CAS操作的实现依赖于底层硬件的支持。现代处理器通常提供原子性的CAS指令,例如x86架构的`CMPXCHG`指令。Java通过JNI(Java Native Interface)调用这些底层指令来实现CAS操作。

### 2.1 CAS的伪代码实现
```java
public class CAS {
    private volatile int value;

    public synchronized int compareAndSwap(int expectedValue, int newValue) {
        int oldValue = value;
        if (oldValue == expectedValue) {
            value = newValue;
        }
        return oldValue;
    }
}

虽然上述代码是同步的,但实际的CAS操作是通过硬件指令实现的,不需要加锁。

2.2 CAS的底层实现

在Java中,CAS操作主要通过sun.misc.Unsafe类提供的方法实现。例如:

public final native boolean compareAndSwapObject(Object o, long offset, Object expected, Object x);
public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset, int expected, int x);
public final native boolean compareAndSwapLong(Object o, long offset, long expected, long x);

这些方法通过JNI调用底层硬件的CAS指令。

3. Java中的CAS操作

Java中的CAS操作主要通过java.util.concurrent.atomic包下的原子类实现。这些原子类提供了一系列的原子操作方法,底层都是基于CAS实现的。

3.1 AtomicInteger示例

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class CASExample {
    public static void main(String[] args) {
        AtomicInteger atomicInt = new AtomicInteger(0);

        // 模拟多线程环境
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(() -> {
                int current;
                do {
                    current = atomicInt.get();
                } while (!atomicInt.compareAndSet(current, current + 1));
                System.out.println("Thread " + Thread.currentThread().getId() + " updated value to " + atomicInt.get());
            }).start();
        }
    }
}

在这个例子中,多个线程并发地尝试增加AtomicInteger的值。compareAndSet方法会确保只有在当前值与预期值相等时才进行更新。

3.2 其他原子类

Java还提供了其他原子类,如: - AtomicBoolean - AtomicLong - AtomicReference - AtomicIntegerArray - AtomicLongArray - AtomicReferenceArray

这些类都提供了类似的CAS操作方法。

4. CAS的优缺点

4.1 优点

  1. 无锁操作:CAS不需要加锁,减少了线程阻塞和上下文切换的开销,提高了并发性能。
  2. 原子性:CAS操作是原子的,可以保证数据的一致性。
  3. 轻量级:相比传统的锁机制,CAS更加轻量级。

4.2 缺点

  1. ABA问题:CAS操作可能会遇到ABA问题(后文会详细介绍)。
  2. 循环时间长开销大:如果CAS操作长时间不成功,CPU会一直循环尝试,造成性能开销。
  3. 只能保证一个共享变量的原子操作:CAS只能对一个共享变量进行原子操作,对于多个共享变量的操作需要使用锁或其他机制。

5. CAS的应用场景

5.1 计数器

CAS非常适合实现计数器,如AtomicIntegerAtomicLong

5.2 非阻塞数据结构

CAS可以用于实现非阻塞的数据结构,如ConcurrentLinkedQueueConcurrentHashMap

5.3 乐观锁

CAS是乐观锁的实现基础,常用于数据库的乐观锁机制。

5.4 线程安全的单例模式

public class Singleton {
    private static final AtomicReference<Singleton> INSTANCE = new AtomicReference<>();

    private Singleton() {}

    public static Singleton getInstance() {
        while (true) {
            Singleton instance = INSTANCE.get();
            if (instance != null) {
                return instance;
            }
            instance = new Singleton();
            if (INSTANCE.compareAndSet(null, instance)) {
                return instance;
            }
        }
    }
}

6. CAS的ABA问题及解决方案

6.1 ABA问题

ABA问题是指: 1. 线程1读取内存位置V的值为A。 2. 线程1被挂起。 3. 线程2将V的值从A改为B,然后又改回A。 4. 线程1恢复执行,发现V的值仍然是A,认为没有被修改过,于是执行CAS操作。

虽然线程1的CAS操作成功了,但实际上V的值已经被修改过,这可能会导致逻辑错误。

6.2 解决方案

6.2.1 版本号机制

通过添加版本号或时间戳来标记变量的修改。Java中的AtomicStampedReference就是基于这种机制实现的。

import java.util.concurrent.atomic.AtomicStampedReference;

public class ABASolution {
    public static void main(String[] args) {
        AtomicStampedReference<Integer> atomicStampedRef = new AtomicStampedReference<>(100, 0);

        int stamp = atomicStampedRef.getStamp();
        Integer reference = atomicStampedRef.getReference();

        // 模拟ABA问题
        new Thread(() -> {
            atomicStampedRef.compareAndSet(reference, reference + 1, stamp, stamp + 1);
            atomicStampedRef.compareAndSet(reference + 1, reference, stamp + 1, stamp + 2);
        }).start();

        new Thread(() -> {
            try {
                Thread.sleep(1000); // 确保第一个线程执行完毕
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            boolean success = atomicStampedRef.compareAndSet(reference, reference + 1, stamp, stamp + 1);
            System.out.println("Operation successful: " + success); // 输出false
        }).start();
    }
}

6.2.2 使用AtomicMarkableReference

AtomicMarkableReference通过一个布尔值标记对象是否被修改过,适用于不需要记录具体修改次数的场景。

7. 总结

CAS是一种高效的无锁并发控制机制,广泛应用于Java并发编程中。它通过硬件指令实现了原子性的比较和交换操作,避免了传统锁机制的开销。然而,CAS也存在ABA问题和循环开销等缺点,需要根据具体场景选择合适的解决方案。

在实际开发中,应优先考虑使用Java提供的原子类(如AtomicIntegerAtomicStampedReference等),而不是直接使用底层的Unsafe类。对于复杂的并发场景,可能需要结合锁或其他同步机制来保证数据的一致性。

通过合理使用CAS,可以显著提高多线程程序的性能和可伸缩性。 “`

推荐阅读:
  1. Java多线程的介绍和使用
  2. CAS是什么?

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