Java中的CAS简述

news2024/10/1 9:33:48

1、CAS是什么

2、CAS的生活化例子

3、Java中的atomic包

4、unsafe类

5、CAS的缺点及解决方案

小结

1、CAS是什么

CAS（Compare and Swap）是一种并发编程中的原子操作，用于实现多线程环境下的无锁同步。它是一种乐观锁的实现方式，通过基于硬件的原子指令，同时完成“读内存，比较是否相等，修改内存”这三个步骤，本质上需要CPU指令的支持。通过比较内存中的值与预期值是否相等来决定是否进行更新。

在Java中，CAS通常使用java.util.concurrent.atomic包下的原子类来实现，例如AtomicInteger、AtomicLong、AtomicReference等。这些原子类提供了一系列的原子操作方法，保证了操作的原子性和线程安全性。

CAS操作包含三个操作数：内存位置（通常是一个变量）、预期值和新值。

它的执行过程如下：

1. 获取当前内存位置的值（旧值）。

2. 比较内存位置的值与预期值是否相等，如果相等则执行第4步，否则（不相等）执行第3步。

3. 更新内存位置的值为新值，然后返回到第1步。

4. CAS操作成功，更新成功；否则，返回到第1步。

CAS实现流程图：

图片来源：【Java中的CAS实现原理】_java cas原理_浪打白龙的博客-CSDN博客

2、CAS的生活化例子

例如：常见的修改登录密码操作。我们无论是在各个APP还是网站上修改密码的时候，一般都需要输入用户id、原密码和新密码等诸如此类的方式。那么在这个修改操作过程中，需要的是：数据库存储的原密码信息、用户输入的原密码、以及更新后的新密码。数据存储的原密码信息(主内存)，用户输入的原密码(线程副本)。当数据库中存储的和用户输入的原密码对比相同的时候，才可以将原密码更新为新密码，否则就不能更新。

简单理解就是：线程M（工作区值为A），认为主内存V中的共享变量值是（包含）A，如果V的值是A，那么就将新值B替换V。如果不是，就不更新V的值，只要告诉我V的最新值。线程M会一直自旋操作。

3、Java中的atomic包

Java中的java.util.concurrent.atomic包提供了一组原子类，用于支持在多线程环境下进行原子操作。这些原子类提供了一些基本类型的原子操作，如整型、长整型、布尔型等，以及一些引用类型的原子操作。

以下是java.util.concurrent.atomic包中常用的原子类：

AtomicBoolean：提供了对布尔类型的原子操作，支持原子的读取和设置操作。

AtomicInteger：提供了对整型的原子操作，支持原子的读取、设置、自增、自减等操作。

AtomicLong：提供了对长整型的原子操作，支持原子的读取、设置、自增、自减等操作。

AtomicReference：提供了对引用类型的原子操作，支持原子的读取和设置操作。

AtomicIntegerArray：提供了对整型数组的原子操作，支持原子的读取、设置、自增、自减等操作。

AtomicLongArray：提供了对长整型数组的原子操作，支持原子的读取、设置、自增、自减等操作。

AtomicReferenceArray：提供了对引用类型数组的原子操作，支持原子的读取和设置操作。

这些原子类的操作都是线程安全的，可以在多线程环境下进行并发访问而不需要额外的同步措施（如锁）。它们使用了底层的硬件原子指令或其他技术来实现原子性，从而提供了高效且线程安全的操作。通过使用atomic包中的原子类，可以简化多线程编程的复杂性，并提高程序的性能和可靠性。它们通常用于实现计数器、标志位、状态标记等在多线程环境下的共享变量。

4、unsafe类

（1）CAS的原子性靠的是底层的unsafe类，这个类中文译为“不安全的”，因此对于普通程序员来说是“有风险”的，一般应用开发者不会用到这个类。

（2）unsafe类是CAS的核心类，由于java无法直接访问底层系统，需要通过本地（native）方法访问，通过该类可以直接操作特定的内存数据。unsafe类存在于sun.misc包中，其内部方法操作可以像C的指针一样直接操作内存，因为java中的CAS依赖于unsafe类中的方法。

（3）注意unsafe类中的所有方法都是native修饰的，也就是说unsafe类中的方法都直接调用操作系统底层资源执行相应任务，unsafe类中的native方法是调用底层原语，原语是有原子性的。

5、CAS的缺点及解决方案

ABA问题，即在操作过程中，内存位置的值可能经过多次修改后又恢复成原来的值。

解决方案：可以添加版本号作为标识，在CAS比较数据当前值和旧值的时候，也要比较版本号是否符合预期，从而对应地增加版本号。如果当前版本号和读到的版本号一致，则修改数据，版本号+1；如果当前版本号高于读到的版本号，就操作失败。

Java提供了AtomicStampedReference和AtomicMarkableReference等类来解决ABA问题。

只能保证一个共享变量的原子操作