Java多线程CAS操作原理代码实例解析

CAS操作号称无锁优化，也叫作自旋；对于一些常见的操作需要加锁，然后jdk就提供了一些以Atomic开头的类，这些类内部自动带了锁，当然这里的锁并非是用synchronized来实现的，而是通过CAS操作来实现的；

一、下面是 AtomicInteger 的使用：

package com.designmodal.design.juc01;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

/**
 * @author D-L
 * @Classname T03_AtomicInteger
 * @Version 1.0
 * @Description 使用 AtomicInteger 类解决常见的 多线程count++
 *        其内部使用了CAS操作来保证原子性 但是不能保证多个方法连续调用都是原子性
 * @Date 2020/7/21 0:35
 */
public class T03_AtomicInteger {
  //使用AtomicInteger类
  AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);

  public void m(){
    for (int i = 0; i < 10000; i++) {
      //等同于 在 count++ 上加锁
      count.incrementAndGet();
    }
  }

  public static void main(String[] args) {
    T03_AtomicInteger t = new T03_AtomicInteger();
    List<Thread> threads = new ArrayList<>();
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
      threads.add(new Thread(t::m , "Thread" + i));
    }
    threads.forEach((o) -> o.start());
    threads.forEach(o ->{
      try {
        o.join();
      } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
      }
    });

    System.out.println(t.count);
  }
}

二、当然达到使用的级别很简单，看一下API就好了，通过上面的小程序，下面主要来聊一聊原理：

1、通过源码分析AtomicInteger

首先小程序中定义了一个 AtomicInteger 类型的变量count；

 AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
 public void add(){
  count.incrementAndGet();
 }

调用了AtomicInteger类中incrementAndGet();

/**
   * Atomically increments by one the current value.
   *
   * @return the updated value
   */
  public final int incrementAndGet() {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
  }

调用unsafe类中的 getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4)方法；

public native int getIntVolatile(Object var1, long var2);
public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);

 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;
  }

这里通过以上三步的操作，最终会进入Unsafe类这里调用的 compareAndSwapInt 意思就是比较然后交换，通过一个while循环，在这里转呀转，直到修改成功；

CAS(compareAndSwap)（比较并交换）：原来想改变的值为0 ，现在想修改成1 ，这里想做到线程安全就必须要加synchronized，现在想用另外一种方式来替换加锁的方法，就是所谓的CAS操作；你可以把它想象成拥有三个参数的方法cas(V , Expected , NewValue); 第一个参数V是你要改的那个值，Expected第二个参数是你期望当前的值是多少（也就是如果没有线程修改的时，这个值应该是多少，如果不是期望值那就证明有别的线程修改过），NewValue是要设置的新值;

上图简单模拟了CAS操作的过程，当线程1和线程2同时读取了共享变量count = 0；在线程1修改的过程中，线程2已经将count值修改为1，那么在线程1修改的时候发现Expected值和V已经匹配不上了，证明已经有线程快我一步将count值改了（可能这里并发量大的时候已经有n多个线程已经修改过了），怎么办呢？那我只能将我的期望值修改成V的值、newValue 在这基础上加1，然后继续在这自旋操作，直到修改成功，这就是自旋操作；

2、Unsafe类(java并发包底层实现的核心)

CAS操作不需要加锁是如何做到的呢？原因就在于Unsafe这个类，这个类除了你使用反射之外，你是不能够直接使用的，这里不能使用的原因和ClassLoader有关系，所有AtomicXXX 类内部都是CompareAndSwap / CompareAndSet（新版jdk）,这个类中存在好多native方法；

Unsafe类使Java拥有了像C语言的指针一样操作内存空间的能力，一旦能够直接操作内存，这也就意味着（1）不受JVM管理，也就意味着无法被GC，需要我们手动GC，稍有不慎就会出现内存泄漏。（2）Unsafe的不少方法中必须提供原始地址(内存地址)和被替换对象的地址，偏移量要自己计算，一旦出现问题就是JVM崩溃级别的异常，会导致整个JVM实例崩溃，表现为应用程序直接crash掉。（3）直接操作内存，也意味着其速度更快，在高并发的条件之下能够很好地提高效率。

CAS：CompareAndSwap，内存偏移地址(var2)，预期值(var4)，新值(var5)。如果变量在当前时刻的值和预期值expected相等，尝试将变量的值更新为新值(var5)。如果更新成功，返回true；否则，返回false。

/**
   * CAS操作 ：Unsafe类中的本地方法 由于Java语言无法访问操作系统底层信息（比如：底层硬件设备等），
   * 这时候就需要借助C C++语言来完成了
   * @param var1 对象
   * @param var2 偏移量
   * @param var4 期望值
   * @param var5 新值
   * @return 修改成功返回true 失败返回false
   */
  public final native boolean compareAndSwapObject(Object var1, long var2, Object var4, Object var5);

  public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);

  public final native boolean compareAndSwapLong(Object var1, long var2, long var4, long var6);

三、CAS操作带来的ABA问题

ABA问题说白了就是在线程进行CAS操作过程中有多个线程对这个共享变量进行修改，有加有减，兜兜转转又回到起始值，这时该线程浑然不知；打个不恰当的比喻：这个过程就好像你前女友跟你分手以后，在时隔一年之后又找你复合来了，说兜兜转转还是觉得你好，在此期间你前女友已经换了几个男朋友你却浑然不知，那个好看的她穿着你喜欢的小短裙，扎着清纯的马尾辫又回来，好了言归正传，意思就是结果是你期望的，可是这个值是经过很多版本的。

下面简单模拟ABA操作图：

如何解决ABA问题呢？

如果是int类型，最终的值也是你期望的，真的是没有所谓，你也不用去纠结这问题；如果你确实就想管一管，那就加一个版本号，做一次修改操作加一，比较检查时连带版本号一起检查。

基础类型：没有必要管，对你真的没有所谓；

引用类型：就像是你女朋友和你分手之后又复合，中间经历了多少个男朋友，这个是有所谓的，这时可以通过加版本号来解决；

以上就是本文的全部内容，希望对大家的学习有所帮助，也希望大家多多支持我们。