Java中CAS基本实现原理

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包的简称。它有核心就是CAS与AQS。CAS是java.util.concurrent.atomic包的基础,如AtomicInteger、AtomicBoolean、AtomicLong等等类都是基于CAS。

什么是CAS呢?全称Compare And Swap,比较并交换。CAS有三个操作数,内存值V,旧的预期值E,要修改的新值N。当且仅当预期值E和内存值V相同时,将内存值V修改为N,否则什么都不做。

二、实例

如果我们需要对一个数进行加法操作,应该怎样去实现呢?我们模拟多个线程情况下进行操作。

ThreadDemo.java 实现一个Runnable接口

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package com.spring.security.test;

public class ThreadDemo implements Runnable {

private int count = 0;

@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 100; i++) {
addCount();
}
}

private void addCount() {
count++;
}

public int getCount() {
return count;
}
}

ThreadTest.java 创建线程池,提交10个线程执行,预期结果应该是1000

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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());
}
}

运行结果:874 或其他,与预期结果不符合。

执行出来的结果并不是想象中的结果。这是为什么呢?这跟线程的执行过程有关。

所以我们需要在改变count,将值从高速缓冲区刷新到主内存后,让其他线程重新读取主内存中的值到自己的工作内存。

此时可以用volatile关键字。它的作用是保证对象在内存中的可见性。

修改ThreadDemo中的count字段

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private volatile int count = 0;

此时执行结果:900 或其他,与预期结果不符合。

此时还是并未得出正确执行结果。为什么?听我细细道来。

线程安全主要体现在三个方面:

  • 原子性:提供了互斥访问,同一时刻只能有一个线程对它进行操作
  • 可见性:一个线程对主内存的修改可以及时的被其他线程观察到
  • 有序性:一个线程观察其他线程中的指令执行顺序,由于指令重排序的存在,该观察结果一般杂乱无序

目前可见性已经实现了,缺少原子性的操作,因为同一时刻,多个线程对其操作,会将改动后的最新值读取到自己的工作内存进行操作,最终只能得到后一个执行线程操作的结果,所以相当于少了一步操作,就会造成数据的不一致。

此时可以使用JUC的Atomic包下面的类来进行操作。

Atomic类是使用CAS+volatile来实现原子性与可见性的

我们来改造一下TheadDemo.java中的实现方法

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package com.spring.security.test;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class ThreadDemo implements Runnable {

private AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);

@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 100; i++) {
// 递增
count.getAndIncrement();
}
}


public int getCount() {
return count.get();
}
}

执行结果: 1000,符合预期值。

接下来我们来分析一下AtomicInteger类的源码:

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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类是不安全的类,它提供了一些底层的方法,我们是不能使用这个类的。AtomicInteger的值保存在value中,而valueOffset是value在内存中的偏移量,利用静态代码块使其类一加载的时候就赋值。value值使用volatile,保证其可见性。

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/**
* Atomically increments by one the current value.
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* @return the previous value
*/
public final int getAndIncrement() {
return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
}
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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表示当前对象,var2表示value在内存中的偏移量,var4为增加的值。var5为调用底层方法获取value的值

compareAndSwapInt方法通过var1和var2获取当前内存中的value值,并与var5进行比对,如果一致,就将var5+var4的值赋给value,并返回true,否则返回false

由do while语句可知,如果这次没有设置进去值,就重复执行此过程。这一过程称为自旋。

compareAndSwapInt是JNI(Java Native Interface)提供的方法,可以是其他语言写的。

三、与synchronized比较

使用synchronized进行加法:

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package com.spring.security.test;


public class ThreadDemo implements Runnable {

private int count = 0;

@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 100; i++) {
// 递增
synchronized (ThreadDemo.class) {
count++;
}
}
}


public int getCount() {
return count;
}
}

运行结果: 1000,符合预期值。

使用synchronized和AtomicInteger都能得到预期结果,但是他们之间各有什么劣势呢?

synchronized是重量级锁,是悲观锁,就是无论你线程之间发不发生竞争关系,它都认为会发生竞争,从而每次执行都会加锁。

在并发量大的情况下,如果锁的时间较长,那将会严重影响系统性能。

CAS操作中我们可以看到getAndAddInt方法的自旋操作,如果长时间自旋,那么肯定会对系统造成压力。而且如果value值从A->B->A,那么CAS就会认为这个值没有被操作过,这个称为CAS操作的”ABA”问题。

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