Java多线程(5):CAS

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在JDK1.5之前,Java的多线程都是靠synchronized来保证同步的,这会引起很多性能问题,例如死锁。但随着Java的不断完善,JNI(Java Native Interface)使得Java能越过JVM直接调用本地方法,例如CAS。

CAS是Compare And Swap(比较与交换)的缩写,它用于实现多线程同步的原子指令,允许算法执行读-修改-写操作,而无需担心其他线程同时修改变量。说人话,意思就是它的操作过程足够细微,以至于线程都奈何不了它。

所谓原子指令就是指不会被线程调度机制打断的操作指令,这种操作一旦开始,就一直运行到结束,中间不会有任何线程切换,即要么全部完成,要么全部中断。换一种说法,就是CAS可以保证Java运算实现我们想要的操作而无需担心会受到多线程的影响。

某种程度上,CAS可以用来取代synchronized的强制同步,提升性能。其实整个java.util.concurrent包都是建立在CAS之上的,尤其是Java中大多数锁的实现基类AbstractQueuedSynchronizer,更是以CAS为基础,提供了一系列的独占锁、共享锁、可重入锁、自旋锁、读写锁等多线程控制手段(这在后面会说)。就像图中那样:

Java多线程(5):CAS

Java对CAS的实现都在java.util.concurrent.atomic包下(java.util.concurrent也简称JUC,这是个简称。所以如果有面试官说想让你谈谈JUC相关的问题,不要一脸懵,否则会被立即淘汰)。以AtomicInteger为例,从源码可以看出CAS操作都是通过sun包下Unsafe类实现,而Unsafe类中的方法都是native方法,由本地实现,和操作系统、CPU都有关系。CAS有一个比较通用的实现模式:

1、首先声明(共享)变量为volatile

2、然后使用CAS的原子条件来更新

3、同时配合volatile的可见性来实现线程之间的同步

前面讲过,不用深究volatile关键字的用途,因为随着机器配置的豪华,其实这个关键字已经没啥用了,而且也可以看到,在CAS里面也有大量出现,JDK已经替你用好了,自己如果不太熟悉就不要用了。CAS相关类结构图是:

Java多线程(5):CAS

还是老规矩,用代码来举例:

/**
 * 仅用AtomicInteger实现CAS
 *
 * @author 湘王
 */
public class AtomicIntegerTester1 {
    // 使用AtomicInteger实现CAS,有没有volatile都不影响
    public static volatile AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(3);

        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            Runnable runnable = new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    atomicInteger.getAndIncrement();
                }
            };
            executor.submit(runnable);
        }

        // 为了观察效果休眠,但实际生产环境中肯定不允许
        Thread.sleep(100);
        executor.shutdown();
        System.out.println(atomicInteger.get());
    }
}

/**
 * 用AtomicIntegerFieldUpdater实现CAS
 *
 * @author 湘王
 */
public class AtomicIntegerTester2 {
    /*
     * 使用AtomicIntegerFieldUpdater实现CAS,相关计算字段必须用volatile修饰,不然抛异常
     * Caused by: java.lang.IllegalArgumentException: Must be volatile type
     *
     */
    public volatile int count = 0;
    public static final AtomicIntegerFieldUpdater<AtomicIntegerTester2> lockUpdate = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(AtomicIntegerTester2.class, "count");

    public int increase(int inc) {
        return lockUpdate.addAndGet(this, inc);
    }

    public int get() {
        return lockUpdate.get(this);
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        AtomicIntegerTester2 tester = new AtomicIntegerTester2();
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(3);
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            Runnable runnable = new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    tester.increase(1);
                }
            };
            executor.submit(runnable);
        }
        // 为了观察效果休眠,但实际生产环境中肯定不允许
        Thread.sleep(100);
        executor.shutdown();
        System.out.println(tester.get());
    }
}

CAS的内容并不多,可以看看它的源码,还是比较有意思的。


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