JavaCAS的示例分析

這篇文章主要介紹JavaCAS的示例分析，文中介紹的非常詳細(xì)，具有一定的參考價值，感興趣的小伙伴們一定要看完！

JMM與問題引入

為啥先說JMM,因為CAS的實現(xiàn)類中維護(hù)的變量都被volatile修飾, 這個volatile 是遵循JMM規(guī)范(不是百分百遵循,下文會說)實現(xiàn)的保證多線程并發(fā)訪問某個變量實現(xiàn)線程安全的手段

一連串的知識點慢慢縷

首先說什么是JMM, JMM就是大家所說的java的內(nèi)存模型, 它是人們在邏輯上做出的劃分, 或者可以將JMM當(dāng)成是一種規(guī)范, 有哪些規(guī)范呢? 如下

• 可見性: 某一個線程對內(nèi)存中的變量做出改動后,要求其他的線程在第一事件內(nèi)馬上馬得到通知,在CAS的實現(xiàn)中, 可見性其實是通過不斷的while循環(huán)讀取而得到的通知, 而不是被動的得到通知

• 原子性: 線程在執(zhí)行某個操作的時,要么一起成功,要么就一起失敗

• 有序性: 為了提高性能, 編譯器處理器會進(jìn)行指令的重排序, 源碼-> 編譯器優(yōu)化重排 -> 處理器優(yōu)化重排 -> 內(nèi)存系統(tǒng)重排 -> 最終執(zhí)行的命令

JVM運行的實體是線程, 每一個線程在創(chuàng)建之后JVM都會為其創(chuàng)建一個工作空間, 這個工作空間是每一個線程之間的私有空間, 并且任何兩條線程之間的都不能直接訪問到對方的工作空間, 線程之間的通信,必須通過共享空間來中轉(zhuǎn)完成

JMM規(guī)定所有的變量全部存在主內(nèi)存中,主內(nèi)存是一塊共享空間,那么如果某個線程相對主內(nèi)存中共享變量做出修改怎么辦呢? 像

下面這樣:

• 將共享變量的副本拷貝到工作空間中

• 對變量進(jìn)行賦值修改

• 將工作空間中的變量寫回到內(nèi)存中

JMM還規(guī)定如下:

• 任何線程在解鎖前必須將工作空間的共享變量立即刷新進(jìn)內(nèi)存中

• 線程在加鎖前必須讀取主內(nèi)存中的值更新到自己的工作空間中

• 加鎖和解鎖是同一把鎖

問題引入

這時候如果多個線程并發(fā)按照上面的三步走去訪問主內(nèi)存中的共享變量的話就會出現(xiàn)線程安全性的問題, 比如說 現(xiàn)在主內(nèi)存中的共享變量是c=1, 有AB兩個線程去并發(fā)訪問這個c變量, 都想進(jìn)行c++, 現(xiàn)在A將c拷貝到自己的工作空間進(jìn)行c++, 于是c=2 , 于此同時線程B也進(jìn)行c++, c在B的工作空間中=2, AB線程將結(jié)果寫回工作空間最終的結(jié)果就是2, 而不是我們預(yù)期的3

相信怎么解決大家都知道, 就是使用JUC,中的原子類就能規(guī)避這個問題

而原子類的底層實現(xiàn)使用的就是CAS技術(shù)

什么是CAS

CAS(compare and swap) 顧名思義: 比較和交換,在JUC中原子類的底層使用的都是CAS無鎖實現(xiàn)線程安全,是一門很炫的技術(shù)

如下面兩行代碼, 先比較再交換, 即: 如果從主內(nèi)存中讀取到的值為4就將它更新為2019

  AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(4);
  atomicInteger.compareAndSet(4,2019);

跟進(jìn)AtomicInteger的源碼如下, 底層維護(hù)著一個int 類型的 變量, (當(dāng)然是因為我選擇的原來類是AtomicInteger類型), 并且這個int類型的值被 volatile 修飾

 private volatile int value;

 /**
  * Creates a new AtomicInteger with the given initial value.
  *
  * @param initialValue the initial value
  */
 public AtomicInteger(int initialValue) {
  value = initialValue;
 }

什么是volatile

volatile是JVM提供的輕量的同步機(jī)制, 為什么是輕量界別呢? , 剛才在上面說了JMM規(guī)范中提到了三條特性, 而JVM提供的volatile僅僅滿足上面的規(guī)范中的 2/3, 如下:

• 保證可見性

• 不保證原子性

• 禁止指令重排序

單獨的volatile是不能滿足原子性的,即如下代碼在多線程并發(fā)訪問的情況下依然會出現(xiàn)線程安全性問題

private volatile int value;
 
public void add(){
 value++; 
}

那么JUC的原子類是如何實現(xiàn)的 可以滿足原子性呢? 于是就不得不說本片博文的主角, CAS

CAS源碼跟進(jìn)

我們跟進(jìn)AtomicInteger中的先遞增再獲取的方法 incrementAndGet()

 public final int incrementAndGet() {
  return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
 }

通過代碼我們看到調(diào)用了Unsafe類來實現(xiàn)

什么是Unsafe類?

進(jìn)入Unsafe類,可以看到他里面存在大量的 native方法,這些native方法全部是空方法,

這個unsafe類其實相當(dāng)于一個后門,他是java去訪問調(diào)用系統(tǒng)上 C C++ 函數(shù)類庫的方法 如下圖

繼續(xù)跟進(jìn)這個方法incrementAndGet() 于是我們就來到了我們的主角方法, 關(guān)于這個方法倒是不難理解,主要是搞清楚方法中的var12345到底代表什么就行, 如下代碼+注釋

var1: 上一個方法傳遞進(jìn)來的: this,即當(dāng)前對象
var2: 上一個方法傳遞進(jìn)來的valueOffset, 就是內(nèi)存地址偏移量
  通過這個內(nèi)存地址偏移量我能精確的找到要操作的變量在內(nèi)存中的地址
  
var4: 上一個方法傳遞進(jìn)來的1, 就是每次增長的值
var5: 通過this和內(nèi)存地址偏移量讀取出來的當(dāng)前內(nèi)存中的目標(biāo)值
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;
 }

注意它用的是while循環(huán), 相對if(flag){} 這種寫法會多一次判斷, 整體的思路就是 在進(jìn)行修改之前先進(jìn)行一次比較,如果讀取到的當(dāng)前值和預(yù)期值是相同的,就自增,否則的話就繼續(xù)輪詢修改

小總結(jié)

通過上面的過程, 其實就能總結(jié)出CAS的底層實現(xiàn)原理

• volatile

• 自旋鎖

• unsafe類

補(bǔ)充: CAS通過Native方法的底層實現(xiàn),本質(zhì)上是操作系統(tǒng)層面上的CPU的并發(fā)原語,JVM會直接實現(xiàn)出匯編層面的指令,依賴于硬件去實現(xiàn), 此外, 對于CPU的原語來說, 有兩條特性1,必定連續(xù), 2.不被中斷

CAS的優(yōu)缺點

優(yōu)點:

它的底層我們看到了通過do-while 實現(xiàn)的自旋鎖來實現(xiàn), 就省去了在多個線程之間進(jìn)行切換所帶來的額外的上下文切換的開銷

缺點:

• 通過while循環(huán)不斷的嘗試獲取, 省去了上下文切換的開銷,但是占用cpu的資源

• CAS只能保證一個共享變量的原子性, 如果存在多個共享變量的話不得不加鎖實現(xiàn)

• 存在ABA問題

ABA問題

什么是ABA問題

我們這樣玩, 還是AB兩個線程, 給AtomicInteger賦初始值0

A線程中的代碼如下:

  Thread.sleep(3000);
  atomicInteger.compareAndSet(0,2019);

B線程中的代碼如下:

  atomicInteger.compareAndSet(0,1);
  atomicInteger.compareAndSet(1,0);

AB線程同時啟動, 雖然最終的結(jié)果A線程能成果的將值修改成2019,,但是它不能感知到在他睡眠過程中B線程對數(shù)據(jù)進(jìn)行過改變, 換句話說就是A線程被B線程欺騙了

ABA問題的解決--- AtomicStampedRefernce.java

帶時間戳的原子引用, 實現(xiàn)的機(jī)制就是通過 原子引用+版本號來完成, 每次對指定值的修改相應(yīng)的版本號會加1, 實例如下

  // 0表示初始化, 1表示初始版本號
  AtomicStampedReference<Integer> reference = new AtomicStampedReference<>(0, 1);
  reference.getStamp(); // 獲取版本號
  reference.attemptStamp(1,2); // 期待是1, 如果是1就更新為2

原子引用

JUC中我們可以找到像AtomicInteger這樣已經(jīng)定義好了實現(xiàn)類, 但是JUC沒有給我們提供類似這樣 AtomicUser或者 AtomicProduct 這樣自定義類型的原子引用類型啊, 不過java仍然是提供了后門就是 原子引用類型

使用實例:

  User user = getUserById(1);
  AtomicReference<User> userAtomicReference = new AtomicReference<User>();
  user.setUsername("張三");
  userAtomicReference.compareAndSet(user,user);

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