并发编程---CAS详解（二）

今天药忘吃喽~ 2023-09-24 22:21 40阅读 0赞

### CAS详解 ###

*  一 简介
 *  二 CAS底层原理
 *   *  2.1.AtomicInteger内部的重要参数
     *  2.2.AtomicInteger.getAndIncrement()分析
     *   *  2.2.1.getAndIncrement()方法分析
         *  2.2.2.举例分析
 *  三 CAS缺点
 *  四 CAS会导致"ABA问题"
 *   *  4.1.AtomicReference 原⼦引⽤。
     *  4.2.ABA问题的解决(AtomicStampedReference 类似于时间戳)
     *   *  4.2.1 ABA问题的产生演示
         *  4.2.2.ABA问题的解决
 *  五 集合类不安全问题
 *   *  5.1 ArrayList与CopyOnWriteArrayList
     *   *  5.1.1. ArrayList
         *  5.1.2 CopyOnWriteArrayList
     *  5.2 Set与CopyOnWriteArraySet
     *  5.3 HashSet和HashMap
     *  5.4 Map与ConcurrentHashMap
 *  六 源码地址

# 一 简介 #

**CAS的全称为Compare-And-Swap，⽐较并交换，是⼀种很重要的同步思想。它是⼀条CPU并发原语。**  
它的功能是判断主内存某个位置的值是否为跟期望值⼀样，相同就进⾏修改，否则⼀直重试，直到⼀致为⽌。这个过程是原⼦的。

看下⾯这段代码，思考运⾏结果是![在这里插入图片描述][ef10de9309c547efadd67ee411a07839.png]

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
    
    /**
     * CAS的全称为Compare-And-Swap，比较并交换，是一种很重要的同步思想。它是一条CPU并发原语。
     * 它的功能是判断主内存某个位置的值是否为跟期望值一样，相同就进行修改，否则一直重试，直到一致为止。这个过程是原子的。
     */
    public class CASDemo {
        
        public static void main(String[] args) {
        
            AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(5);
            //CAS操作
            System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(5, 2000) + "\t最终值:" + atomicInteger.get());
            System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(5, 1024) + "\t最终值:" + atomicInteger.get());
            //true	最终值:2000
            //false	最终值:2000
        }
    }

分析

> 第⼀次修改，期望值为5，主内存也为5，修改成功，为2000。  
> 第⼆次修改，期望值为5，主内存为2000，修改失败，需要重新获取主内存的值 。

CAS并发原语体现在JAVA语⾔中就是sum.misc.Unsafe类中的各个⽅法。看⽅法源码，调⽤UnSafe类中的CAS⽅法，JVM会帮我们实现出**CAS汇编指令**。这是⼀种完全依赖于硬件的功能，通过它实现了原⼦操作。再次强调，由于CAS是⼀种系统原语，原语属于操作系统⽤语范畴，是由若⼲条指令组成的，⽤于完成某个功能的⼀个过程，并且原语的执⾏执⾏是连续的，在执⾏过程中不允许被中断，也就是说 CAS是⼀条CPU的原⼦指令，不会造成所谓的数据不⼀致问题。

# 二 CAS底层原理 #

![在这里插入图片描述][57f58748d7644f49bdb54bdb84e58cb1.png]

## 2.1.AtomicInteger内部的重要参数 ##

1.  Unsafe  
    是CAS的核⼼类，由于Java⽅法⽆法直接访问底层系统，需要通过本地（native）⽅法来访问，Unsafe 相当于⼀个后⾯，基于该类可以直接操作特定内存的数据。Unsafe类存在于sum.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CAS操作的执⾏依赖于Unsafe类的⽅法。  
    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
2.  变量valueOffset，表示该变量值在内存中的偏移地址，因为Unsafe就是根据内存偏移地址获取数 据的。
3.  变量value⽤volatile修饰，保证了多线程之间的内存可⻅性。

## 2.2.AtomicInteger.getAndIncrement()分析 ##

### 2.2.1.getAndIncrement()方法分析 ###

`AtomicInteger.getAndIncrement()`调⽤了 `Unsafe.getAndAddInt()`⽅法。 `Unsafe`类的⼤部分 ⽅法都是 `native`的，⽤来像C语⾔⼀样从底层操作内存。  
![在这里插入图片描述][a340fa4f4a8048d7b6d3e784ab18c551.png]  
C语句代码JNI，对应java⽅法 `public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5)`

UNSAFE_ENTRY(jboolean, Unsafe_CompareAndSwapInt(JNIEnv *env, jobject unsafe, jobject obj, jlong offset,jint e, jint x)) 
    UnsafeWrapper("Unsafe_CompareAndSwapInt"); 
    oop p = JNIHandles::resolve(obj); 
    jint* add = (jint *)index_oop_from_field_offset_long(p, offset); return (jint)(Atomic::cmpxchg(x,addr,e))==e; 
    UNSAFE_END 
    //先想办法拿到变量value在内存中的地址addr。 
    //通过Atomic::cmpxchg实现⽐较替换，其中参数x是即将更新的值，参数e是原内存的值

![在这里插入图片描述][1842243bfba34f978ccb470991343833.png]

> 这个⽅法的var1和var2，就是根据对象和偏移量得到在主内存的快照值var5。然 后 compareAndSwapInt⽅法通过var1和var2得到当前主内存的实际值。如果这个实际值跟快照值相等，那么就更新主内存的值为var5+var4。如果不等，那么就⼀直循环，⼀直获取快照，⼀直对⽐，直 到实际值和快照值相等为⽌。

**参数介绍**  
`var1` AtomicInteger对象本身  
`var2` 该对象值的引⽤地址  
`var4` 需要变动的数量  
`var5` 是通过var1和var2，根据对象和偏移量得到在主内存的快照值var5

### 2.2.2.举例分析 ###

⽐如有A、B两个线程，⼀开始都从主内存中拷⻉了原值为3，  
A线程执⾏到 var5=this.getIntVolatile，即var5=3。  
此时A线程挂起，B修改原值为4，B线程执⾏完毕，由于加了volatile，所以这个修改是⽴即可⻅的。  
A线程被唤醒，执⾏ this.compareAndSwapInt()⽅法，发现这个时候主内存的值不等于快照值3，所以继续循环，重新从主内存获取。  
![在这里插入图片描述][0db7a533231e4dab9634f83fc6ac8a19.png]

# 三 CAS缺点 #

![在这里插入图片描述][c93f66b719e54ce297d2269d437dde82.png]

CAS实际上是⼀种⾃旋锁，

1.  ⼀直循环，开销⽐较⼤。我们可以看到getAndAddInt⽅法执⾏时，有个do while，如果CAS失 败，会⼀直进⾏尝试。如果CAS⻓时间⼀直不成功，可能会给CPU带来很⼤的开销。
2.  对⼀个共享变量执⾏操作时，我们可以使⽤循环CAS的⽅式来保证原⼦操作，但是，对多个共享变 量操作时，循环CAS就⽆法保证操作的原⼦性，这个时候就可以⽤锁来保证原⼦性。
3.  引出了ABA问题。

# 四 CAS会导致"ABA问题" #

![在这里插入图片描述][132c9653df594ffe9de6baceb64f55fe.png]  
**所谓ABA问题，就是CAS算法实现需要取出内存中某时刻的数据并在当下时刻⽐较并替换，这⾥存在⼀ 个时间差，那么这个时间差可能带来意想不到的问题。**  
⽐如，⼀个线程A 从内存位置Value中取出3，这时候另⼀个线程B 也从内存位置Value中取出3，并且线程B进⾏了⼀些操作将值变成了4，然后线程C⼜再次将值变成了3，这时候线程A进⾏CAS操作发现 内存中仍然是3，然后线程A操作成功。  
尽管线程A的CAS操作成功，但是不代表这个过程就是没有问题的。![在这里插入图片描述][40165460cd4249ee8e4d3776fa567408.png]

> 有这样的需求，⽐如CAS，只注重头和尾，只要⾸尾⼀致就接受。  
> 但是有的需求，还看重过程，中间不能发⽣任何修改，这就引出了

## 4.1.AtomicReference 原⼦引⽤。 ##

AtomicInteger对整数进⾏原⼦操作，如果是⼀个POJO呢？可以⽤ AtomicReference来包装这个 POJO，使其操作原⼦化。  
![在这里插入图片描述][6e1aa71d3efe410f80f23a4e3cb6240e.png]

public class AtomicReferenceDemo {
        
        public static void main(String[] args) {
        
            User user1 = new User("Jack",25);
            User user2 = new User("Tom",21);
            User user3 = new User("Ros",28);
            AtomicReference<User> atomicReference = new AtomicReference<>();
            atomicReference.set(user1);
            //CAS操作 主内存中的原始值user1和期望值user1比较相等,返回值为true且将主内存中的原始值修改为user2;
            System.out.println(atomicReference.compareAndSet(user1,user2)+"\t"+atomicReference.get());
            //CAS操作 主内存中的原始值user2和期望值user1比较不相等,返回值为false,不更新期望值;
            System.out.println(atomicReference.compareAndSet(user1,user3)+"\t"+atomicReference.get());
            //true	User(username=Tom, age=21)
            //false	User(username=Tom, age=21)
        }
    }

## 4.2.ABA问题的解决(AtomicStampedReference 类似于时间戳) ##

![在这里插入图片描述][96d8d3b74a764e46b7bf3c558ab12671.png]  
使⽤ `AtomicStampedReference`类可以解决`ABA`问题。这个类维护了⼀个“版本号”`Stamp`，在进⾏`CAS` 操作的时候，不仅要⽐较当前值，还要⽐较版本号。只有两者都相等，才执⾏更新操作。  
**解决ABA问题的关键⽅法：**  
![在这里插入图片描述][cf089c1786ea45b4bcc2f78117deb6bc.png]  
参数说明：  
V expectedReference, 预期值引⽤  
V newReference, 新值引⽤  
int expectedStamp，预期值时间戳  
int newStamp, 新值时间戳

### 4.2.1 ABA问题的产生演示 ###

public class AtomicReferenceDemo2 {
        
        static AtomicReference<Integer> atomicReference = new AtomicReference<>(100);
        public static void main(String[] args) {
        
            System.out.println("========ABA问题的产生=========");
            new Thread(() -> {
        
                //CAS 主内存中的原始值100和期望值100比较相等,返回值为true且将主内存中的原始值修改为111;
                atomicReference.compareAndSet(100, 111);
                //CAS 主内存中的原始值111和期望值111比较相等,返回值为true且将主内存中的原始值修改为100;
                atomicReference.compareAndSet(111, 100);
    
            }, "t1").start();
    
            new Thread(() -> {
        
                //CAS
                System.out.println(atomicReference.compareAndSet(100, 2020) + "\t" + atomicReference.get());
            }, "t2").start();
        }

### 4.2.2.ABA问题的解决 ###

package thread;
    
    import java.util.concurrent.TimeUnit;
    import java.util.concurrent.atomic.AtomicStampedReference;
    
    /**
     * ABA问题
     */
    public class ABADemo {
        
        
        //带有时间戳的原子引用 (共享内存值100， 版本号为1)
        static AtomicStampedReference<Integer> atomicStampedReference = new AtomicStampedReference<>(100, 1);
    
        public static void main(String[] args) {
        
    
            System.out.println("=========ABA问题的解决===========");
            new Thread(() -> {
        
                //获取第一次的版本号
                int stamp = atomicStampedReference.getStamp();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t第一次版本号" + stamp);
    
                //CAS 共享内存值100和期望值100比较相等,且共享内存时间戳和预期值时间戳相等;返回值为true且将共享内存值修改为111时间戳为2;
                try {
        //休眠一秒,模拟并发，给ThreadA预留时间启动。
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                } catch (InterruptedException e) {
        
                    e.printStackTrace();
                }
                atomicStampedReference.compareAndSet(
                        100,
                        111,
                        atomicStampedReference.getStamp(),
                        atomicStampedReference.getStamp() + 1
    
                );
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t第二次版本号：" + atomicStampedReference.getStamp());
    
                //CAS 共享内存值111和期望值111比较相等,且共享内存时间戳和预期值时间戳相等;返回值为true且将共享内存值修改为100时间戳为3;
                atomicStampedReference.compareAndSet(
                        111,
                        100,
                        atomicStampedReference.getStamp(),
                        atomicStampedReference.getStamp() + 1
                );
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t第三次版本号：" + atomicStampedReference.getStamp());
    
    
            }, "ThreadB").start();
    
    
            new Thread(() -> {
        
                //获取第一次的版本号
                int stamp = atomicStampedReference.getStamp();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t第一次版本号" + stamp);
    
                //CAS 休眠3秒，与ThreadB时间差。模拟挂起;让ThreadB先执行,经过线程B的操作当前共享内存值为100，时间戳为3
                try {
        
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
                } catch (InterruptedException e) {
        
                    e.printStackTrace();
                }
                //共享内存值100和期望值100比较相等,但是共享内存时间戳3和预期值时间戳1不相等;返回值为false,不修改共享内存值和时间戳;
                boolean result = atomicStampedReference.compareAndSet(
                        100,
                        2020,
                        stamp,
                        stamp + 1
                );
                System.out.println(
                        Thread.currentThread().getName()
                                + "\t修改是否成功：" + result
                                + "\t当前最新的版本号：" + atomicStampedReference.getStamp()
                                + "\t当前最新的值：" + atomicStampedReference.getReference()
                );
    
    
            }, "ThreadA").start();
            //=========ABA问题的解决===========
            //ThreadB	第一次版本号1
            //ThreadA	第一次版本号1
            //ThreadB	第二次版本号：2
            //ThreadB	第三次版本号：3
            //ThreadA	修改是否成功：false	当前最新的版本号：3	当前最新的值：100
        }
    }

![在这里插入图片描述][f8a5af483e894b2d9093a6548d62e04e.png]

# 五 集合类不安全问题 #

## 5.1 ArrayList与CopyOnWriteArrayList ##

### 5.1.1. ArrayList ###

ArrayList不是线程安全类，在多线程同时写的情况下，会抛出 java.util.ConcurrentModificationException异常（并发修改异常）。

public class ContainerNotSafeDemo {
        
        public static void main(String[] args) {
        
    
            List<String> list = new ArrayList<>();
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
        
                new Thread(()->{
        
                    list.add(UUID.randomUUID().toString().substring(0,6));
                    System.out.println(list);
                }, String.valueOf(i)).start();
            }
        }
      }

**结果分析**  
通过结果发现出现丢数据或者抛异常  
![在这里插入图片描述][9a595b8fdd4b4b9ca3e559439499e362.png]  
![在这里插入图片描述][f4ea65c9d7904a14aff6f9bed78a6b63.png]  
解决⽅法：

1.  使⽤Vector（ ArrayList所有⽅法加 synchronized，太重）。
2.  使⽤ Collections.synchronizedList()转换成线程安全类。
3.  使⽤ java.concurrent.CopyOnWriteArrayList（推荐）。

### 5.1.2 CopyOnWriteArrayList ###

这是JUC的类，通过写时复制来实现读写分离。⽐如其add()⽅法，就是先复制⼀个新数组，⻓度为原数组⻓度+1，然后将新数组最后⼀个元素设为添加的元素。  
![在这里插入图片描述][6e4cdbc75bb5437fba66c5fc4684cd66.png]

public class ContainerNotSafeDemo {
        
        public static void main(String[] args) {
        
            CopyOnWriteArrayList<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>();
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
        
                new Thread(()->{
        
                    list.add(UUID.randomUUID().toString().substring(0,6));
                    System.out.println(list);
                }, String.valueOf(i)).start();
            }
        }
       }

add方法详情  
![在这里插入图片描述][b504aeb0a4c44a15a036fbab49dc936e.png]

**结果**  
控制台打印结果正常  
![在这里插入图片描述][ee62624873a64c3d91eefd6b5ca46f82.png]

## 5.2 Set与CopyOnWriteArraySet ##

在多线程同时写的情况下，会抛出 java.util.ConcurrentModificationException异常（并发修改异常）。

private static void setNoSafe() {
        
            HashSet<String> set = new HashSet<>();
    //        Set<String> set = new CopyOnWriteArraySet<>();
    
            for (int i = 0; i < 30; i++) {
        
                new Thread(()->{
        
                    set.add(UUID.randomUUID().toString().substring(0,6));
                    System.out.println(set);
                }, String.valueOf(i)).start();
            }
        }

![在这里插入图片描述][5fa0fa3f5a39490b9db90b1804c9be50.png]  
解决方法：在高并发的情况下使用CopyOnWriteArraySet  
![在这里插入图片描述][6d30b2a67afe45989845f0a60e4fb037.png]

## 5.3 HashSet和HashMap ##

底层是⽤`HashMap`实现的。既然是⽤`HashMap`实现的，那 `HashMap.put()`需要传两个参数，⽽ `HashSet.add()`只传⼀个参数，这是为什么？  
实际上 `HashSet.add()`就是调⽤的`HashMap.put()`，只不过Value被写死了，是⼀个 `private static final Object`对象。跟List类似，HashSet和TreeSet都不是线程安全的，与之对应的有CopyOnWriteSet这个线程安全类。这个类底层维护了⼀个 CopyOnWriteArrayList数组。  
![在这里插入图片描述][7ef0d7961bbd458fa35c595277ca4368.png]

## 5.4 Map与ConcurrentHashMap ##

`HashMap`不是线程安全的，`Hashtable`是线程安全的，但是跟  
`Vector`类似，太重量级。所以也有类似`CopyOnWriteMap`，只不过叫 `ConcurrentHashMap`。

private static void mapNoSafe() {
        
             Map<String, String> map = new HashMap<>();
    //        Map<String, String> map = new ConcurrentHashMap<>();
    
            for (int i = 0; i < 30; i++) {
        
                new Thread(()->{
        
                    map.put(Thread.currentThread().getName(), UUID.randomUUID().toString().substring(0,6));
                    System.out.println(map);
                }, String.valueOf(i)).start();
            }
        }

![在这里插入图片描述][bf9b1402594f4b99aa2043398fab7a8f.png]  
解决方案

Map<String, String> map = new ConcurrentHashMap<>();

# 六 源码地址 #

[源码地址][Link 1]  
![在这里插入图片描述][0f3ca42e567f494988876b9fe27f894c.png]  
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[Link 1]: https://gitee.com/wl8888/concurrent-programming.git
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[Volatile]: https://blog.csdn.net/weixin_43811057/article/details/129403175?spm=1001.2014.3001.5501
[java]: https://blog.csdn.net/weixin_43811057/article/details/129438562?spm=1001.2014.3001.5501