【Java】手把手模拟CAS，瞬间理解CAS的机制

• 话不多少，先看个案例，【模拟100个用户，每个用户访问10次网站】”：

public class ThreadDemo1 {

    //总访问量
    private static int count = 0;

    //模拟访问的方法
    public static void request() throws InterruptedException {
        TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(5);//模拟耗时5s
        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 < 100; i++) {
            Thread thread = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    //模拟用户行为，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();
        }


        countDownLatch.await();
        long endTime = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("访问用时：" + (endTime - startTime) + "ms");
        System.out.println(count);
    }

}

 

#结果1：
访问用时：73ms
968

 

#结果2：
访问用时：78ms
983

 

总之，结果基本都不会达到1000

 

 

• 分析一下问题出在哪呢？

【count++】 操作实际上是由三步来完成的（jvm执行引擎）

1》获取count的值，记做A： A = count

2》将A值+1，得到B：B=A+1

3》将B值赋给count

 

 

 

 

 

• 怎么解决结果不正确的问题呢？

对count++操作的时候，我们让多个线程排队处理，多个线程同时到达处理【request()方法】时，只能允许有一个线程进去操作，其他线程只能在外面等待（即串行化），

等到里面的线程处理完毕后，再让外面等待的线程进去一个，这样操作结果一定是争取的。

 

 

• 通常如何实现排队呢？

1》synchronized关键字加锁

 （详情可以了解《Synchronized底层加锁原理详解》：https://www.cnblogs.com/boluopabo/p/12907916.html）

2》ReentrantLock可重入锁

 

 

• 那我们试一下【synchronized】加锁后的执行结果：

    //我们试着在request方法前加一个synchronized 修饰
 
    //模拟访问的方法
    public synchronized static void request() throws InterruptedException {
        TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(5);//模拟耗时5s
        count++;
    }

 

#结果：
访问用时：5884ms
1000

 

虽然解决了线程的不安全问题，但是用却多了几十倍。

 

 

• 耗时太长的原因是什么呢？

程序中的request方法使用synchronized关键字修饰，保证了并发情况下，request方法同一时刻，只允许一个线程进入，

request相当于串行执行了，count结果与预期一致，但耗时太长了

 

 

• 如何解决耗时太长问题呢？

文章最初我们简述了【count】的变化过程，这里我们再重复一遍，并延伸一下：

1》获取count的值，记做A： A = count

2》将A值+1，得到B：B=A+1

3》将B值赋给count

升级第三步的实现：
a.获取锁
b.获取以下count最新的值，记做LV
c.判断LV是否等于A，如果相等，则把B的值赋值给count，并返回true；否则返回false
d.释放锁

 

 

• 我们这里模拟一下上述升级第三步的实现场景：

package com.example.demo.thread;

import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 * @author Code Farmer
 * @date 2020/5/22 15:10
 */
public class ThreadDemo3 {

    //总访问量
    //此处加volatile修改，保证可见性
    private volatile static int count = 0;

    //模拟访问的方法
    public static void request() throws InterruptedException {
        TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(5);//模拟耗时5s
//        count++;
        int expectCount;
        //a.获取锁
        //b.获取以下count最新的值，记做LV
        while (!compareAndSwap((expectCount = getCount()), expectCount + 1)) {

        }
    }

    /**
     * @param expectCount count期望值
     * @param newCount    需要给count赋予的新值
     * @return 交换成功返回true；反之返回false
     */
    public static synchronized boolean compareAndSwap(int expectCount, int newCount) {
//        c.判断LV是否等于A，如果相等，则把B的值赋值给count，并返回true；否则返回false
//        d.释放锁
        if (expectCount == getCount()) {
            count = newCount;
            return true;
        }
        return false;
    }

    private 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 < 100; i++) {
            Thread thread = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    //模拟用户行为，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();
        }


        countDownLatch.await();
        long endTime = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("访问用时：" + (endTime - startTime) + "ms");
        System.out.println(count);
    }

}

 

 

#结果：
访问用时：78ms
1000

返回结果可以看到，性能可谓是爆炸式提升啊。

 

• 小结：在模拟CAS机制中，我们只在【将B值赋给count】这里加锁，从而减小了锁的粒度，以提高性能。