多线程（进阶二：CAS）

客官°小女子只卖身不卖艺 2024-02-05 13:34 9阅读 0赞

**目录**

一、CAS的简单介绍

CAS逻辑（用伪代码来描述）

二、CAS在多线程中简单的使用

三、原子类自增的代码分析

都看到这了，点个赞再走吧，谢谢谢谢谢

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## 一、CAS的简单介绍 ##

**CAS的全称：**“Compare And Swap”，字面意思是 “比较和交换”；一个CAS涉及到以下操作，有两个寄存器：A，SwapB，还有内存的值：AddressC。

先判断寄存器A是否和AddressC的值相同，相同，SwapB的值和AddressC的值进行交换，返回成功操作，否则返回失败操作。这里的交换值我们也可以理解成赋值操作，因为寄存器中的值我们不关心，用完就丢掉了，只关心内存中的值。

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### CAS逻辑（用伪代码来描述） ###

伪代码：

![0be1b434e64b44c2b2fefe2224943731.png][]

这里有两个寄存器：expectValue，swapValue，还有内存的值：address，初始化如图：

![a9b5905ee1b04167a45cca430170d6fb.png][]

进入if语句，判断内存的值和寄存器e的值是否相等，如果相等，就交换寄存器swap和内存address的值，如图：

![88b7b4839ef34de58b18eac6f9e9eebf.png][]

如图：

![237c4829633e49ef9347873b9c7108d1.png][]

然后返回true，如果if条件不成立则返回false。

在计算机中，上述操作在**计算机只是一条指令，因为单个指令的原因，所以CAS指令是原子的**。

CAS指令不涉及到加锁，阻塞。基于CAS指令，合理使用的话，在多线程中，我们可以实现无锁编程；因为之前我们讨论并发编程的线程安全问题时，是通过加锁，阻塞这样方式解决线程安全问题，因为会有阻塞，所以性能也就会降低，用CAS指令实现无锁编程，也能保证线程安全，不涉及到阻塞，这样性能就能得到很大的提升，在多线程编程中打开了新世界的大门。

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## 二、CAS在多线程中简单的使用 ##

因为CAS是CPU的指令，有的cpu可能不支持CAS，但主流的CPU（x86，arm...）都是支持的。

CAS本身是CPU的指令，操作系统对其做了封装，jvm又对操作系统提供的api又做了一层封装。java中CAS的api是放在unsafe中的，这个包名的意思，顾名思义也是“不安全”的意思，一般在java中不建议使用，java的标准库中，对于CAS进行了进一步的封装，把CAS的一些操作封装成工具类，供程序猿使用。而主要的一个工具，叫做 “原子类”。

在 **java.util.concurrent.atomic**  包下，里面的类就是基于上述方式实现的，典型的类就是AtomicInteger类，里面有很多方法可以实现数值的自增、自减，以及基本的加减操作。下面的代码案例也是使用AtomicInteger展示。

我们以前写过一个代码，让两个线程实现一个变量自增10\_0000次，如下代码是线程不安全。

public class AtomicIntegerTest1 {
        public static int count = 0;
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
            Thread t1 = new Thread(() -> {
                for (int i = 0; i < 50000; i++) {
                    count++;
                }
            });
            Thread t2 = new Thread(() -> {
                for (int i = 0; i < 50000; i++) {
                    count++;
                }
            });
            t1.start();
            t2.start();
            t1.join();
            t2.join();
            System.out.println(count);
        }
    }

执行结果：

![1c1d6af328834f4bb21b1e6d3242df04.png][]

输出结果也和我们预期结果不同，肯定是线程不安全的，而原因就是因为**count++操作不是原子的**，在计算机中有**三个指令**。

这里，我们使用CAS的方式，来实现让两个线程实现一个变量自增10\_0000次，代码如下

public class AtomicIntegerTest1 {
        public static AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
            Thread t1 = new Thread(() -> {
                for (int i = 0; i < 50000; i++) {
                    count.getAndIncrement();//和count++意思一样
                }
            });
            Thread t2 = new Thread(() -> {
                for (int i = 0; i < 50000; i++) {
                    count.getAndIncrement();//和count++意思一样
                }
            });
            t1.start();
            t2.start();
            t1.join();
            t2.join();
            System.out.println(count);
        }
    }

执行结果：

![23d3d03ae9334720bee7e762a6e7177b.png][]

因为这里用CAS的方式，原本count++操作在计算机中有3条指令，不是原子的，肯定线程不安全；但是用CAS的方式就可以把像count++这样的操作，用一条指令完成，是原子的，在这里就不涉及到线程安全问题了。

AtomicInteger中有很多方法：自增，自减，+=，-=等待，这里就不展开讨论了。

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## 三、原子类自增的代码分析 ##

代码还是上述的代码，如下：

在标准库中，getAndIncrement方法是这样的：

![49874088ca0149f282d1c6fdd70d50c0.png][]

> 这里比较难理解，我们用伪代码的形式介绍，伪代码如下：
> 
> ![216d71e0f7e54e609642ce5d122cd815.png][]
> 
> 当有两个线程对同一个变量进行自增操作时，执行流程是这样的：
> 
> ![e1626a4270d147489d76f45153e304a4.png][]
> 
> 这里的oldValue是寄存器中的值，它的值就是AtomicInteger括号里面初始化的值，value是内存中的值。从上到下，把内存value的值都赋值给oldValue，两个线程拿到的都是同一个内存value的值。
> 
> 这时，右边的线程while循环里的判断，先执行CAS这里的操作，如图：
> 
> ![0ad2b52f93f24e7990f74f07e25e6766.png][]
> 
> 执行完CAS操作后返回true，然后while循环里true != ture，条件不成立，不执行while循环内的代码。
> 
> 当左边线程进入while循环里面的判断语句时，如图：
> 
> ![6dab7595eb5d42e69edf3a1c9b1ab496.png][]
> 
> 也会进入CAS操作，这里因为内存value的值修改了，当前线程寄存器oldValue值还是0，给oldValue+1，会返回false，这时循环条件false != true成立，就会执行oldValue = value操作，如图：
> 
> ![218b460600a244529a90f23d56f3a2fa.png][]
> 
> 再次进入循环条件里面执行CAS操作，这时候value == oldValue，所以会让oldvalue+1赋值给value，这时候value的值就是2了，如图：
> 
> ![ee22fe62301341dfa581b77f080dd0e2.png][]
> 
> 所以，两个线程不管顺序是啥样的，使用getAndIncrement方法都不会出现线程安全问题，因为CAS操作本身就是原子的，原因的逻辑理解也大概是下面这样的：
> 
> ![8132948e4b894c40b37cb1bac4f60cfe.png][]
> 
> 如果cas不成功，会重复上面的操作，再次读取数据，这次读取到的数据就是正确的了，cas也就能成功。意思就是这个方法里面会判断拿到的值是不是最新值，如果不是就去拿最新的值，再去CAS，这时候因为拿到的是最新值，所以这时能CAS成功。

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## 都看到这了，点个赞再走吧，谢谢谢谢谢 ##

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