JAVA并发编程JUC包之CAS原理

2024-09-06 22:04

本文主要是介绍JAVA并发编程JUC包之CAS原理,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!

在JDK 1.5之后,java api中提供了java.util.concurrent包,简称JUC包。这个包定义了很多我们非常熟悉的工具类,比如原子类AtomicXX,线程池executors、信号量semaphore、阻塞队列、同步器等。日常并发编程要用的熟面孔基本都在这里。

       首先,Atomic包,原子操作类,提供了用法简单、性能高效、最重要是线程安全的更新一个变量。支持整型、长整型、布尔、double、数组、以及对象的属性原子修改,支持种类非常丰富。

        之前的文章《JAVA并发编程volatile核心原理》说过,volatile只是解决了多线程的可见性和有序性问题,原子性问题并没有解决。 在这里volatile+Atomic原子类可以完美实现多线程共享变量的安全修改。

1、Atomic原子类并发修改共享变量demo

package lading.java.mutithread;import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;/*** 多线程并发下,使用原子类+volatile进行操作,实现共享变量修改并发安全* 10个线程并发对共享变量count进行求和,每个线程求和100次,最后结果是1000*/
public class Demo005AtomicCount {public static volatile AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);public static void main(String[] args) {int threadNum = 10;ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(threadNum);for (int i = 0; i < threadNum; i++) {//10个线程并发对共享变量count进行求和,每个线程求和100次threadPool.submit(() -> {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开始对count求和100次");for (int j = 0; j < 100; j++) {count.getAndIncrement();}});}threadPool.shutdown();System.out.println("最后count的值:" + count.get());}
}

结果,刚好就是1000.

2、说一下CAS原理

      CAS 英文原名compare AND swap(比较再置换)。在JUC包中,大量应用了CAS的原理实现,比如AQS ,concurrentHashMap都有应用CAS技术。可以说,synchronized、volatile、CAS就是JAVA并发编程里的基石。

       CAS本质是一条CPU指令,fun(address,oldValue,newValue),其中Address就是本次操作要读取旧值以及修改为新值的内存地址,oldValue就是该内存地址之前的旧值,newValue就是本次操心希望写入的新值。

核心原理:判断内存地址address当前的值是否与oldValue相同,如果相同就更新该内存地址的值为newValue。

先看一下源码,这个AtomicInteger +1源码:

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;}然后compareAndSwapInt的源码如下:
public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);

       这里this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));可以看到其实是4个变量,实际就是我们常说的三个变量,因为Object var1表示这个对象内存地址,var2只是偏移量。

       这个偏移量有什么用呢?继续看unsafe c++的源码,发现,其实和我们之前讲的JVM内存模型是一样的,一个对象有自己的地址,对象在内存中会占据一段内存区域,这一片区域会有对象的各种信息,比如锁状态,对象头信息,最重要的是还有我们这个对象的值。那如何找到这个值的内存地址呢?

      这时候就是需要这个long var2 偏移量。通过这个var2才可以读到当前变量的旧值old。然后拿这个old和预期的oldValue去比对,相等了就把newValue更新到值的内存地址。

3、CAS有什么缺陷吗

        在2的核心原理源码看到,很明显,如果发现从内存地址里值不是预期的oldValue,那就陷入了死循环。CAS就是一个while循环判断内存地址值是否等于预期值,不等于就继续循环。

3.1 CAS一直不成功,就会导致CPU自旋时间过长,CPU开销过大。

3.2 A->B->A问题,俗称ABA问题。

        举个例子,有个变量name="A",有个线程想把name从A修改为C。但是很不幸在次过程中被别的线程修改为B后,又再修改为A,它才能执行。再具体一点就是:有个人存款有100块,想去取出来,但是取款机显示余额是0,无法取现;过了一会,发现余额是100,这才能取现。这个诡异的过程就是ABA的问题,CAS对变量预期旧值的循环变化是无感的。

4、如何解决CAS的ABA问题

我们先看一下ABA的demo。

package lading.java.mutithread;import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;/*** CAS ABA问题复现* count 原值100*/
public class Demo006CasBug {public static volatile AtomicInteger count = new AtomicInteger(100);public static void main(String[] args) throws InterruptedException {//线程1先修改为200,然后马上修改为100Thread thread1 = new Thread(() -> {count.compareAndSet(100, 200);count.compareAndSet(200, 100);System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "完成对count的从100修改为200,然后再修改为100");});Thread thread2 = new Thread(() -> {count.compareAndSet(100, 300);System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "对count的从100修改为" + count.get());});thread1.start();thread2.start();thread1.join();thread2.join();}
}

结果是线程1无感的修改为300,实际上期间线程0已经修改了2次。

JDK提供了AtomicStampedReference来解决。解决demo:

package lading.java.mutithread;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicStampedReference;/*** 解决CAS ABA问题* 用AtomicStampedReference,给原子类增加一个时间戳6666,这样每次修改需要增加判断预期的时间戳* 类似数据库mysql更新一个记录,update set col1='' where col2=oldVal and timestamp=oldVal* 在cas基础上增加一个数据时间戳,确保数据未更新修改过。*/
public class Demo007CasBugFix {public static AtomicStampedReference<Integer> count = new AtomicStampedReference<>(100, 6666);public static void main(String[] args) throws InterruptedException {//线程1先修改为200,然后马上修改为100Thread thread1 = new Thread(() -> {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "第一次修改前时间戳版本号:" + count.getStamp());count.compareAndSet(100, 200, count.getStamp(), count.getStamp() + 1);System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "第二次修改前时间戳版本号:" + count.getStamp());count.compareAndSet(200, 100, count.getStamp(), count.getStamp() + 1);System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "完成对count的从100修改为200,然后再修改为100");});Thread thread2 = new Thread(() -> {try {Thread.sleep(5);} catch (InterruptedException e) {throw new RuntimeException(e);}System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "第三次修改前时间戳版本号:" + count.getStamp());boolean isSuccess = count.compareAndSet(100, 300, count.getStamp(), count.getStamp() + 1);if (isSuccess) {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "修改成功,对count的从100修改为300");} else {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "修改失败,count值为:" + count.getReference());}});thread1.start();thread2.start();}
}

结果,因为时间戳已经被修改了,线程1就没法修改cout,避免了ABA问题:

这篇关于JAVA并发编程JUC包之CAS原理的文章就介绍到这儿,希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助!



http://www.chinasem.cn/article/1143236

相关文章

springboot security快速使用示例详解

《springbootsecurity快速使用示例详解》:本文主要介绍springbootsecurity快速使用示例,具有很好的参考价值,希望对大家有所帮助,如有错误或未考虑完全的地方,望不吝... 目录创www.chinasem.cn建spring boot项目生成脚手架配置依赖接口示例代码项目结构启用s

java之Objects.nonNull用法代码解读

《java之Objects.nonNull用法代码解读》:本文主要介绍java之Objects.nonNull用法代码,具有很好的参考价值,希望对大家有所帮助,如有错误或未考虑完全的地方,望不吝赐... 目录Java之Objects.nonwww.chinasem.cnNull用法代码Objects.nonN

springboot security之前后端分离配置方式

《springbootsecurity之前后端分离配置方式》:本文主要介绍springbootsecurity之前后端分离配置方式,具有很好的参考价值,希望对大家有所帮助,如有错误或未考虑完全的... 目录前言自定义配置认证失败自定义处理登录相关接口匿名访问前置文章总结前言spring boot secu

Python中随机休眠技术原理与应用详解

《Python中随机休眠技术原理与应用详解》在编程中,让程序暂停执行特定时间是常见需求,当需要引入不确定性时,随机休眠就成为关键技巧,下面我们就来看看Python中随机休眠技术的具体实现与应用吧... 目录引言一、实现原理与基础方法1.1 核心函数解析1.2 基础实现模板1.3 整数版实现二、典型应用场景2

一文详解SpringBoot响应压缩功能的配置与优化

《一文详解SpringBoot响应压缩功能的配置与优化》SpringBoot的响应压缩功能基于智能协商机制,需同时满足很多条件,本文主要为大家详细介绍了SpringBoot响应压缩功能的配置与优化,需... 目录一、核心工作机制1.1 自动协商触发条件1.2 压缩处理流程二、配置方案详解2.1 基础YAML

java中使用POI生成Excel并导出过程

《java中使用POI生成Excel并导出过程》:本文主要介绍java中使用POI生成Excel并导出过程,具有很好的参考价值,希望对大家有所帮助,如有错误或未考虑完全的地方,望不吝赐教... 目录需求说明及实现方式需求完成通用代码版本1版本2结果展示type参数为atype参数为b总结注:本文章中代码均为

springboot简单集成Security配置的教程

《springboot简单集成Security配置的教程》:本文主要介绍springboot简单集成Security配置的教程,具有很好的参考价值,希望对大家有所帮助,如有错误或未考虑完全的地方,... 目录集成Security安全框架引入依赖编写配置类WebSecurityConfig(自定义资源权限规则

Java的IO模型、Netty原理解析

《Java的IO模型、Netty原理解析》Java的I/O是以流的方式进行数据输入输出的,Java的类库涉及很多领域的IO内容:标准的输入输出,文件的操作、网络上的数据传输流、字符串流、对象流等,这篇... 目录1.什么是IO2.同步与异步、阻塞与非阻塞3.三种IO模型BIO(blocking I/O)NI

java中反射(Reflection)机制举例详解

《java中反射(Reflection)机制举例详解》Java中的反射机制是指Java程序在运行期间可以获取到一个对象的全部信息,:本文主要介绍java中反射(Reflection)机制的相关资料... 目录一、什么是反射?二、反射的用途三、获取Class对象四、Class类型的对象使用场景1五、Class

SpringBoot中封装Cors自动配置方式

《SpringBoot中封装Cors自动配置方式》:本文主要介绍SpringBoot中封装Cors自动配置方式,具有很好的参考价值,希望对大家有所帮助,如有错误或未考虑完全的地方,望不吝赐教... 目录SpringBoot封装Cors自动配置背景实现步骤1. 创建 GlobalCorsProperties