Java并发之CAS原理详解

目录

• 开端
• 1.代码
• 1.1修改后的代码
• 1.2代码改进：CAS模仿
• 2.CAS分析
• 2.1Java对CAS的支持
• 2.2CAS实现原理是什么？
• 2.3CAS存在的问题
• 2.3.1什么是ABA问题？
• 2.3.2如何解决ABA问题
• 总结

开端

在学习源码之前我们先从一个需求开始

需求

我们开发一个网站，需要对访问量进行统计，用户每发送一次请求，访问量+1.如何实现？我们模拟有100个人同时访问，并且每个人对咱们的网站发起10次请求，最后总访问次数应该是1000次

1.代码

package day03;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
/**
 * Description
 * User:
 * Date:
 * Time:
 */
public class Demo {
    //总访问量
    static int count = 0;
    //模拟访问的方法
    public static void request() throws InterruptedException {
        //模拟耗时5毫秒
        TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(5);
        count++;
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        long startTime = System.currentTimeMillis();
        int threadSize=100;
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threadSize);
        for (int i=0;i<threadSize;i++){
            Thread thread = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    //每个用户访问10次网站
                    try {
                        for (int j=0;j<10;j++) {
                            request();
                        }
                    }catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }finally {
                        countDownLatch.countDown();
                    }
                }
            });
            thread.start();
        }
        //怎么保证100个线程执行之后，执行后面的代码
        countDownLatch.await();
        long endTime = System.currentTimeMillis();
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"耗时:"+(endTime-startTime)+",count:"+count);
    }
}

我们多输出几次结果

main耗时:66,count:950

main耗时:67,count:928

发现每一次count都不相同，和我们期待的1000相差一点，这里就牵扯到了并发问题，我们的count++在底层实际上由3步操作组成

• 获取count，各个线程写入自己的工作内存
• count执行+1操作
• 将+1后的值写回主存中

这并不是一个线程安全的过程，如果有A、B两个线程同时执行count++，同时执行到第一步，得到的count是一样的，三步操作完成后，count只加1，导致count结果不正确

那么怎么解决这个问题呢？

我们可以考虑使用synchronized关键字和ReentrantLock对资源加锁，保证并发的正确性，多线程的情况下，可以保证被锁住的资源被串行访问

1.1修改后的代码

package day03;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
/**
 * Description
 * User:
 * Date:
 * Time:
 */
public class Demo02 {
    //总访问量
    static int count = 0;
    //模拟访问的方法
    public static synchronized void request() throws InterruptedException {
        //模拟耗时5毫秒
        TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(5);
        count++;
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        long startTime = System.currentTimeMillis();
        int threadSize=100;
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threadSize);
        for (int i=0;i<threadSize;i++){
            Thread thread = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    //每个用户访问10次网站
                    try {
                        for (int j=0;j<10;j++) {
                            request();
                        }
                    }catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }finally {
                        countDownLatch.countDown();
                    }
                }
            });
            thread.start();
        }
        //怎么保证100个线程执行之后，执行后面的代码
        countDownLatch.await();
        long endTime = System.currentTimeMillis();
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"耗时:"+(endTime-startTime)+",count:"+count);
    }
}

执行结果

main耗时:5630,count:1000

可以看到，由于sychronized锁住了整个方法，虽然结果正确，但因为线程执行方法均为串行执行，导致运行效率大大下降

那么我们如何才能使程序执行无误时，效率还不会降低呢？

缩小锁的范围，升级上述3步中第三步的实现

• 获取锁
• 获取count最新的值，记作LV
• 判断LV是否等于A，如果相等，则将B的值赋值给count，并返回true，否则返回false
• 释放锁

1.2代码改进：CAS模仿

package day03;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
/**
 * Description
 * User:
 * Date:
 * Time:
 */
public class Demo03 {
    //总访问量
    volatile static int count = 0;
    //模拟访问的方法
    public static void request() throws InterruptedException {
        //模拟耗时5毫秒
        TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(5);
//        count++;
        int expectCount;
        while (!compareAndSwap(expectCount=getCount(),expectCount+1)){}
    }
    /**
     * @param expectCount 期待的值,比如最刚开始count=3
     * @param newCount 新值 count+1之后的值，4
     * @return
     */
    public static synchronized  boolean compareAndSwap(int expectCount,int newCount){
        if (getCount()==expectCount){
            count = newCount;
            return true;
        }
        return false;
    }
    public static int getCount(){return count;}
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        long startTime = System.currentTimeMillis();
        int threadSize=100;
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threadSize);
        for (int i=0;i<threadSize;i++){
            Thread thread = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    //每个用户访问10次网站
                    try {
                        for (int j=0;j<10;j++) {
                            request();
                        }
                    }catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }finally {
                        countDownLatch.countDown();
                    }
                }
            });
            thread.start();
        }
        //怎么保证100个线程执行之后，执行后面的代码
        countDownLatch.await();
        long endTime = System.currentTimeMillis();
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"耗时:"+(endTime-startTime)+",count:"+count);
    }
}

main耗时:67,count:1000

2.CAS分析

CAS全称“CompareAndSwap”，中文翻译过来为“比较并替换”

定义：

• CAS操作包含三个操作数——内存位置（V）、期望值（A）和新值（B）。如果内存位置的值和期望值匹配，那么处理器会自动将该位置值更新为新值。否则处理器不作任何操作。无论哪种情况，它都会在CAS指令之前返回该位置的值。
• CAS在一些特殊情况下仅返回CAS是否成功，而不提取当前值，CAS有效的说明了我认为位置V应该包含值A，如果包含该值，将B放到这个位置，否则不要更改该位置的值，只告诉我这个位置现在的值即可

2.1Java对CAS的支持

java中提供了对CAS操作的支持，具体在sun.misc.unsafe类中，声明如下

public final native boolean compareAndSwapObject(Object var1, long var2, Object var4, Object var5);
public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);
public final native boolean compareAndSwapLong(Object var1, long var2, long var4, long var6);

• 参数var1：表示要操作的对象
• 参数var2：表示要操作属性地址的偏移量
• 参数var4：表示需要修改数据的期望的值
• 参数var5：表示需要修改的新值

2.2CAS实现原理是什么？

CAS通过调用JNI的代码实现，JNI：java native interface，允许java调用其他语言。而compareAndSwapxxx系列的方法就是借助C语言来调用cpu底层指令实现的

以常用的Intel x86平台为例，最终映射到cpu的指令为"cmpxchg"，这是一个原子指令，cpu执行此命令时，实现比较并替换的操作

现代计算机动不动就上百核心，cmpxchg怎么保证多核心下的线程安全？

系统底层在进行CAS操作的时候，会判断当前系统是否为多核心系统，如果是就给“总线”加锁，只有一个线程会对总线加锁成功，加锁之后执行CAS操作，也就是说CAS的原子性是平台级别的

2.3CAS存在的问题

2.3.1什么是ABA问题？

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，在CAS方法执行之前，被其他线程修改为B，然后又修改回了A，那么CAS方法执行检查的时候会发现它的值没有发生变化，但是实际却不是原来的A了，这就是CAS的ABA问题

可以看到上图中线程A在真正更改A之前，A已经被其他线程修改为B然后又修改为A了

程序模拟ABA问题

package day04;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
/**
 * Description
 * User:
 * Date:
 * Time:
 */
public class Test01 {
    public static AtomicInteger a = new AtomicInteger();
    public static void main(String[] args) {
        Thread main = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"执行，a的值为:"+a.get());
                try {
                    int expect = a.get();
                    int update = expect+1;
                    //让出cpu
                    Thread.sleep(1000);
                    boolean b = a.compareAndSet(expect, update);
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"CAS执行:"+b+",a的值为:"+a.get());
                }
                 catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        },"主线程");
//        main.start();
        Thread thread1 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    Thread.sleep(20);
                    a.incrementAndGet();
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"更改a的值为:"+a.get());
                    a.decrementAndGet();
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"更改a的值为:"+a.get());
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        },"其他线程");
        main.start();
        thread1.start();
    }
}

主线程执行，a的值为:0
其他线程更改a的值为:1
其他线程更改a的值为:0
主线程CAS执行:true,a的值为:1

可以看到，在执行CAS之前，a被其他线程修改为1又修改为0，但是对执行CAS并没有影响，因为它根本没有察觉到其他线程对a的修改

2.3.2如何解决ABA问题

解决ABA问题最简单的方案就是给值加一个修改版本号，每次值变化，都会修改它的版本号，CAS操作时都去对比此版本号

在java中的ABA解决方案（AtomicStampedReference）

AtomicStampedReference主要包含一个对象引用及一个可以自动更新的整数stamp的pair对象来解决ABA问题

AtomicStampedReference源码

    /**
     * Atomically sets the value of both the reference and stamp
     * to the given update values if the
     * current reference is {@code ==} to the expected reference
     * and the current stamp is equal to the expected stamp.
     *
     * @param expectedReference the expected value of the reference 期待引用
     * @param newReference the new value for the reference          新值引用
     * @param expectedStamp the expected value of the stamp         期望引用的版本号
     * @param newStamp the new value for the stamp                  新值的版本号
     * @return {@code true} if successful
     */
    public boolean compareAndSet(V   expectedReference,
                                 V   newReference,
                                 int expectedStamp,
                                 int newStamp) {
        Pair<V> current = pair;
        return
            expectedReference == current.reference &&//期望引用与当前引用保持一致
            expectedStamp == current.stamp &&//期望引用版本号与当前版本号保持一致
            ((newReference == current.reference &&//新值引用与当前引用一致并且新值版本号与当前版本号保持一致
              newStamp == current.stamp)
                    ||//如果上述版本号不一致，则通过casPair方法新建一个Pair对象，更新值和版本号，进行再次比较
             casPair(current, Pair.of(newReference, newStamp)));
    }
    private boolean casPair(Pair<V> cmp, Pair<V> val) {
        return UNSAFE.compareAndSwapObject(this, pairOffset, cmp, val);
    }

使用AtomicStampedReference解决ABA问题代码

package day04;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicStampedReference;
/**
 * Description
 * User:
 * Date:
 * Time:
 */
public class Test02 {
    public static AtomicStampedReference<Integer> a = new AtomicStampedReference(new Integer(1),1);
    public static void main(String[] args) {
        Thread main = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"执行，a的值为:"+a.getReference());
                try {
                    Integer expectReference = a.getReference();
                    Integer newReference = expectReference+1;
                    Integer expectStamp = a.getStamp();
                    Integer newStamp = expectStamp+1;
                    //让出cpu
                    Thread.sleep(1000);
                    boolean b = a.compareAndSet(expectReference, newReference,expectStamp,newStamp);
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"CAS执行:"+b);
                }
                catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        },"主线程");
//        main.start();
        Thread thread1 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    Thread.sleep(20);
                    a.compareAndSet(a.getReference(),a.getReference()+1,a.getStamp(),a.getStamp()+1);
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"更改a的值为:"+a.getReference());
                    a.compareAndSet(a.getReference(),a.getReference()-1,a.getStamp(),a.getStamp()-1);
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"更改a的值为:"+a.getReference());
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        },"其他线程");
        main.start();
        thread1.start();
    }
}

主线程执行，a的值为:1
其他线程更改a的值为:2
其他线程更改a的值为:1
主线程CAS执行:false

因为AtomicStampedReference执行CAS会去检查版本号，版本号不一致则不会进行CAS，所以ABA问题成功解决

总结

本篇文章就到这里了，希望能够给你带来帮助，也希望您能够多多关注的更多内容!