Java中CAS详解

一、什么是CAS

CAS,compare and swap的缩写，中文翻译成比较并交换。

CAS 操作包含三个操作数 —— 内存位置（V）、预期原值（A）和新值(B)。如果内存位置的值与预期原值相匹配，那么处理器会自动将该位置值更新为新值。否则，处理器不做任何操作。

二、从一个案例引出CAS

案例：

public class Test {
    public static int count = 0;
    private final static int MAX_TREAD=10;
    public static AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        /*CountDownLatch能够使一个线程在等待另外一些线程完成各自工作之后，再继续执行。
        使用一个计数器进行实现。计数器初始值为线程的数量。当每一个线程完成自己任务后，计数器的值就会减一。
        当计数器的值为0时，表示所有的线程都已经完成一些任务，然后在CountDownLatch上等待的线程就可以恢复执行接下来的任务。*/
        CountDownLatch latch = new CountDownLatch(MAX_TREAD);
 
        //匿名内部类
        Runnable runnable =  new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                    count++;
                    atomicInteger.getAndIncrement();
                }
                latch.countDown(); // 当前线程调用此方法，则计数减一
            }
        };
        //同时启动多个线程
        for (int i = 0; i < MAX_TREAD; i++) {
            new Thread(runnable).start();
        }
        latch.await(); // 阻塞当前线程，直到计数器的值为0
        System.out.println("理论结果：" + 1000 * MAX_TREAD);
        System.out.println("static count: " + count);
        System.out.println("AtomicInteger: " + atomicInteger.intValue());
    }
}

输出：

理论结果：10000
static count: 9994
AtomicInteger: 10000

三、Java中的Atomic 原子操作包

JUC 并发包中原子类，都存放在 java.util.concurrent.atomic 类路径下：

根据操作的目标数据类型，可以将 JUC 包中的原子类分为 4 类：

基本原子类
数组原子类
原子引用类型
字段更新原子类

1. 基本原子类

基本原子类的功能，是通过原子方式更新 Java 基础类型变量的值。基本原子类主要包括了以下三个：

AtomicInteger：整型原子类。
AtomicLong：长整型原子类。
AtomicBoolean ：布尔型原子类。

2. 数组原子类

数组原子类的功能，是通过原子方式更数组里的某个元素的值。数组原子类主要包括了以下三个：

AtomicIntegerArray：整型数组原子类。
AtomicLongArray：长整型数组原子类。
AtomicReferenceArray ：引用类型数组原子类。

3. 引用原子类

引用原子类主要包括了以下三个：

AtomicReference：引用类型原子类。
AtomicMarkableReference ：带有更新标记位的原子引用类型。
AtomicStampedReference ：带有更新版本号的原子引用类型。

AtomicStampedReference通过引入“版本”的概念，来解决ABA的问题。

4. 字段更新原子类

字段更新原子类主要包括了以下三个：

AtomicIntegerFieldUpdater：原子更新整型字段的更新器。
AtomicLongFieldUpdater：原子更新长整型字段的更新器。
AtomicReferenceFieldUpdater：原子更新引用类型里的字段。

五、类 AtomicInteger

1、常用的方法：

方法	介绍
public final int get()	获取当前的值
public final int getAndSet(int newValue)	获取当前的值，然后设置新的值
public final int getAndIncrement()	获取当前的值，然后自增
public final int getAndDecrement()	获取当前的值，然后自减
public final int getAndAdd(int delta)	获取当前的值，并加上预期的值
boolean compareAndSet(int expect, int update)	通过 CAS 方式设置整数值

AtomicInteger 案例：

 private static void out(int oldValue,int newValue){
        System.out.println("旧值:"+oldValue+",新值:"+newValue);
    }
    public static void main(String[] args) {
        int value = 0;
        AtomicInteger atomicInteger= new AtomicInteger(0);
        //取值，然后设置一个新值
        value = atomicInteger.getAndSet(3);
        //旧值:0,新值:3
        out(value,atomicInteger.get());
        //取值，然后自增
        value = atomicInteger.getAndIncrement();
        //旧值:3,新值:4
        out(value,atomicInteger.get());
        //取值，然后增加 5
        value = atomicInteger.getAndAdd(5);
        //旧值:4,新值:9
        out(value,atomicInteger.get());
        //CAS 交换
        boolean flag = atomicInteger.compareAndSet(9, 100);
        //旧值:4,新值:100
        out(value,atomicInteger.get());
    }

AtomicInteger 源码解析：

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
    // 设置使用Unsafe.compareAndSwapInt进行更新
    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);
        }
    }
    ...省略
    private volatile int value;
 
    //自动设置为给定值并返回旧值。
    public final int getAndSet(int newValue) {
        return unsafe.getAndSetInt(this, valueOffset, newValue);
    }
 
    //以原子方式将当前值加1并返回旧值。
    public final int getAndIncrement() {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
    }
 
    //以原子方式将当前值减1并返回旧值。
    public final int getAndDecrement() {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, -1);
    }
 
    //原子地将给定值添加到当前值并返回旧值。
    public final int getAndAdd(int delta) {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta);
    }
    ...省略
}

通过源码我们发现AtomicInteger的增减操作都调用了Unsafe 实例的方法，下面我们对Unsafe类做介绍：

六、Unsafe类

Unsafe 是位于 sun.misc 包下的一个类，Unsafe 提供了CAS 方法，直接通过native 方式（封装 C++代码）调用了底层的 CPU 指令 cmpxchg。

Unsafe类，翻译为中文:危险的,Unsafe全限定名是 sun.misc.Unsafe，从名字中我们可以看出来这个类对普通程序员来说是“危险”的，一般应用开发者不会用到这个类。

1、Unsafe 提供的 CAS 方法

主要如下：定义在 Unsafe 类中的三个 “比较并交换”原子方法

/*
@param o 包含要修改的字段的对象
@param offset 字段在对象内的偏移量
@param expected 期望值（旧的值）
@param update 更新值（新的值）
@return true 更新成功 | false 更新失败
*/
public final native boolean compareAndSwapObject(Object o, long offset, Object expected, Object update);
public final native boolean compareAndSwapInt( Object o, long offset, int expected,int update);
public final native boolean compareAndSwapLong( Object o, long offset, long expected, long update);

Unsafe 提供的 CAS 方法包含四个入参：包含要修改的字段对象、字段内存位置、预期原值及新值。在执行 Unsafe 的 CAS 方法的时候，这些方法首先将内存位置的值与预期值（旧的值）比较，如果相匹配，那么处理器会自动将该内存位置的值更新为新值，并返回 true ；如果不相匹配，处理器不做任何操作，并返回 false 。

2、获取属性偏移量

Unsafe 提供的获取字段（属性）偏移量的相关操作，主要如下：

/**
* @param o 需要操作属性的反射 
* @return 属性的偏移量 
*/ 
public native long staticFieldOffset(Field field); 
public native long objectFieldOffset(Field field);

staticFieldOffset 方法用于获取静态属性 Field 在 Class 对象中的偏移量，在 CAS 操作静态属性时，会用到这个偏移量。

objectFieldOffset 方法用于获取非静态 Field （非静态属性）在 Object 实例中的偏移量，在 CAS 操作对象的非静态属性时，会用到这个偏移量。

3、根据属性的偏移量获取属性的最新值:

/**
* @param o 字段所属于的对象实例
* @param fieldOffset 字段的偏移量 
* @return 字段的最新值
*/
public native int getIntVolatile(Object o, long fieldOffset);

七、CAS的缺点

1. ABA问题。因为CAS需要在操作值的时候检查下值有没有发生变化，如果没有发生变化则更新，但是如果一个值原来是A，变成了B，又变成了A，那么使用CAS进行检查时会发现它的值没有发生变化，但是实际上却变化了。

JDK 提供了两个类 AtomicStampedReference、AtomicMarkableReference 来解决 ABA 问题。

2. 只能保证一个共享变量的原子操作。一个比较简单的规避方法为：把多个共享变量合并成一个共享变量来操作。 JDK 提供了 AtomicReference 类来保证引用对象之间的原子性，可以把多个变量放在一个 AtomicReference 实例后再进行 CAS 操作。比如有两个共享变量 i＝1、j=2，可以将二者合并成一个对象，然后用 CAS 来操作该合并对象的 AtomicReference 引用。

3. 循环时间长开销大。高并发下N多线程同时去操作一个变量，会造成大量线程CAS失败，然后处于自旋状态，导致严重浪费CPU资源，降低了并发性。

解决 CAS 恶性空自旋的较为常见的方案为：

分散操作热点，使用 LongAdder 替代基础原子类 AtomicLong。
使用队列削峰，将发生 CAS 争用的线程加入一个队列中排队，降低 CAS 争用的激烈程度。JUC 中非常重要的基础类 AQS（抽象队列同步器）就是这么做的。
(261条消息) Java中CAS详解_java cas_LiWang__的博客-CSDN博客

一、什么是CAS

CAS,compare and swap的缩写，中文翻译成比较并交换。

二、从一个案例引出CAS

案例：

public class Test {
public static int count = 0;
private final static int MAX_TREAD=10;
public static AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
/*CountDownLatch能够使一个线程在等待另外一些线程完成各自工作之后，再继续执行。
使用一个计数器进行实现。计数器初始值为线程的数量。当每一个线程完成自己任务后，计数器的值就会减一。
当计数器的值为0时，表示所有的线程都已经完成一些任务，然后在CountDownLatch上等待的线程就可以恢复执行接下来的任务。*/
CountDownLatch latch = new CountDownLatch(MAX_TREAD);
//匿名内部类
Runnable runnable = new Runnable() {
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
count++;
atomicInteger.getAndIncrement();
}
latch.countDown(); // 当前线程调用此方法，则计数减一
}
};
//同时启动多个线程
for (int i = 0; i < MAX_TREAD; i++) {
new Thread(runnable).start();
}
latch.await(); // 阻塞当前线程，直到计数器的值为0
System.out.println("理论结果：" + 1000 * MAX_TREAD);
System.out.println("static count: " + count);
System.out.println("AtomicInteger: " + atomicInteger.intValue());
}
}

输出：

理论结果：10000
static count: 9994
AtomicInteger: 10000

我们发现每次运行，atomicInteger 的结果值都是正确的，count++的结果却不对，下面我们就开始探究原因。

三、Java中的Atomic 原子操作包

JUC 并发包中原子类，都存放在 java.util.concurrent.atomic 类路径下：

根据操作的目标数据类型，可以将 JUC 包中的原子类分为 4 类：

基本原子类
数组原子类
原子引用类型
字段更新原子类

1. 基本原子类

基本原子类的功能，是通过原子方式更新 Java 基础类型变量的值。基本原子类主要包括了以下三个：

AtomicInteger：整型原子类。
AtomicLong：长整型原子类。
AtomicBoolean ：布尔型原子类。

2. 数组原子类

数组原子类的功能，是通过原子方式更数组里的某个元素的值。数组原子类主要包括了以下三个：

AtomicIntegerArray：整型数组原子类。
AtomicLongArray：长整型数组原子类。
AtomicReferenceArray ：引用类型数组原子类。

3. 引用原子类

引用原子类主要包括了以下三个：

AtomicReference：引用类型原子类。
AtomicMarkableReference ：带有更新标记位的原子引用类型。
AtomicStampedReference ：带有更新版本号的原子引用类型。

AtomicStampedReference通过引入“版本”的概念，来解决ABA的问题。

4. 字段更新原子类

字段更新原子类主要包括了以下三个：

AtomicIntegerFieldUpdater：原子更新整型字段的更新器。
AtomicLongFieldUpdater：原子更新长整型字段的更新器。
AtomicReferenceFieldUpdater：原子更新引用类型里的字段。

五、类 AtomicInteger

1、常用的方法：

方法	介绍
public final int get()	获取当前的值
public final int getAndSet(int newValue)	获取当前的值，然后设置新的值
public final int getAndIncrement()	获取当前的值，然后自增
public final int getAndDecrement()	获取当前的值，然后自减
public final int getAndAdd(int delta)	获取当前的值，并加上预期的值
boolean compareAndSet(int expect, int update)	通过 CAS 方式设置整数值

AtomicInteger 案例：

private static void out(int oldValue,int newValue){
System.out.println("旧值:"+oldValue+",新值:"+newValue);
}
public static void main(String[] args) {
int value = 0;
AtomicInteger atomicInteger= new AtomicInteger(0);
//取值，然后设置一个新值
value = atomicInteger.getAndSet(3);
//旧值:0,新值:3
out(value,atomicInteger.get());
//取值，然后自增
value = atomicInteger.getAndIncrement();
//旧值:3,新值:4
out(value,atomicInteger.get());
//取值，然后增加 5
value = atomicInteger.getAndAdd(5);
//旧值:4,新值:9
out(value,atomicInteger.get());
//CAS 交换
boolean flag = atomicInteger.compareAndSet(9, 100);
//旧值:4,新值:100
out(value,atomicInteger.get());
}

2、AtomicInteger 源码解析：

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
// 设置使用Unsafe.compareAndSwapInt进行更新
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);
}
}
...省略
private volatile int value;
//自动设置为给定值并返回旧值。
public final int getAndSet(int newValue) {
return unsafe.getAndSetInt(this, valueOffset, newValue);
}
//以原子方式将当前值加1并返回旧值。
public final int getAndIncrement() {
return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
}
//以原子方式将当前值减1并返回旧值。
public final int getAndDecrement() {
return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, -1);
}
//原子地将给定值添加到当前值并返回旧值。
public final int getAndAdd(int delta) {
return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta);
}
...省略
}

通过源码我们发现AtomicInteger的增减操作都调用了Unsafe 实例的方法，下面我们对Unsafe类做介绍：

六、Unsafe类

Unsafe 是位于 sun.misc 包下的一个类，Unsafe 提供了CAS 方法，直接通过native 方式（封装 C++代码）调用了底层的 CPU 指令 cmpxchg。

1、Unsafe 提供的 CAS 方法

主要如下：定义在 Unsafe 类中的三个 “比较并交换”原子方法

/*
@param o 包含要修改的字段的对象
@param offset 字段在对象内的偏移量
@param expected 期望值（旧的值）
@param update 更新值（新的值）
@return true 更新成功 | false 更新失败
*/
public final native boolean compareAndSwapObject(Object o, long offset, Object expected, Object update);
public final native boolean compareAndSwapInt( Object o, long offset, int expected,int update);
public final native boolean compareAndSwapLong( Object o, long offset, long expected, long update);

Unsafe 提供的 CAS 方法包含四个入参：包含要修改的字段对象、字段内存位置、预期原值及

新值。在执行 Unsafe 的 CAS 方法的时候，这些方法首先将内存位置的值与预期值（旧的值）比

较，如果相匹配，那么处理器会自动将该内存位置的值更新为新值，并返回 true ；如果不相匹配，

处理器不做任何操作，并返回 false 。

2、获取属性偏移量

Unsafe 提供的获取字段（属性）偏移量的相关操作，主要如下：

/**
* @param o 需要操作属性的反射
* @return 属性的偏移量
*/
public native long staticFieldOffset(Field field);
public native long objectFieldOffset(Field field);

staticFieldOffset 方法用于获取静态属性 Field 在 Class 对象中的偏移量，在 CAS 操作静态属性时，会用到这个偏移量。

objectFieldOffset 方法用于获取非静态 Field （非静态属性）在 Object 实例中的偏移量，在 CAS 操作对象的非静态属性时，会用到这个偏移量。

3、根据属性的偏移量获取属性的最新值:

/**
* @param o 字段所属于的对象实例
* @param fieldOffset 字段的偏移量
* @return 字段的最新值
*/
public native int getIntVolatile(Object o, long fieldOffset);

七、CAS的缺点

JDK 提供了两个类 AtomicStampedReference、AtomicMarkableReference 来解决 ABA 问题。

3. 循环时间长开销大。高并发下N多线程同时去操作一个变量，会造成大量线程CAS失败，然后处于自旋状态，导致严重浪费CPU资源，降低了并发性。

解决 CAS 恶性空自旋的较为常见的方案为：

分散操作热点，使用 LongAdder 替代基础原子类 AtomicLong。
使用队列削峰，将发生 CAS 争用的线程加入一个队列中排队，降低 CAS 争用的激烈程度。JUC 中非常重要的基础类 AQS（抽象队列同步器）就是这么做的。

posted @ 2023-03-09 17:56 xiaowang_lj 阅读(71) 评论(0) 编辑收藏举报

会员力量，点亮园子希望

刷新页面返回顶部

wanglongjiang

Java中CAS详解

一、什么是CAS

二、从一个案例引出CAS

三、Java中的Atomic 原子操作包

1. 基本原子类

2. 数组原子类

3. 引用原子类

4. 字段更新原子类

五、类 AtomicInteger

1、常用的方法：

AtomicInteger 案例：

AtomicInteger 源码解析：

六、Unsafe类

1、Unsafe 提供的 CAS 方法

2、获取属性偏移量

3、根据属性的偏移量获取属性的最新值:

七、CAS的缺点

一、什么是CAS

二、从一个案例引出CAS

三、Java中的Atomic 原子操作包

1. 基本原子类

2. 数组原子类

3. 引用原子类

4. 字段更新原子类

五、类 AtomicInteger

1、常用的方法：

AtomicInteger 案例：

2、AtomicInteger 源码解析：

六、Unsafe类

1、Unsafe 提供的 CAS 方法

2、获取属性偏移量

3、根据属性的偏移量获取属性的最新值:

七、CAS的缺点

公告