JavaCAS的相關(guān)知識原理有哪些

這篇文章給大家介紹JavaCAS的相關(guān)知識原理有哪些，內(nèi)容非常詳細(xì)，感興趣的小伙伴們可以參考借鑒，希望對大家能有所幫助。

JMM與問題引入

為啥先說JMM,因?yàn)镃AS的實(shí)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(shí)現(xiàn)的保證多線程并發(fā)訪問某個變量實(shí)現(xiàn)線程安全的手段

一連串的知識點(diǎn)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(shí)現(xiàn)中, 可見性其實(shí)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(yùn)行的實(shí)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(shí)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(shí)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?yàn)槲疫x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(dú)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)就能總結(jié)出CAS的底層實(shí)現(xiàn)原理

volatile  自旋鎖  unsafe類

補(bǔ)充: CAS通過Native方法的底層實(shí)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(shí)現(xiàn)出匯編層面的指令,依賴于硬件去實(shí)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(diǎn)

優(yōu)點(diǎn):

它的底層我們看到了通過do-while 實(shí)現(xiàn)的自旋鎖來實(shí)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(diǎn):

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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)例:

User user = getUserById(1);  

AtomicReference<User> userAtomicReference = new AtomicReference<User>();  

user.setUsername("張三");  

userAtomicReference.compareAndSet(user,user);

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