CAS与原子类
CAS 全称 Compare And Swap 中文意思 比较并交换
跟中文意思一样就是一个比较然后交换的思想 比如
if（value == expectedValue）
｛value = newValue;｝
就像上面的这个代码 只要使用了CAS 当一个线程去内存获取值（称为b）的时候 会把内存的这个值 放到别的变量（称为a）中 当这个线程对b进行了赋值操作 这时会让b跟a做比较 看看b有没有被别的线程进行更改 如果b被更改了那么会返回a的值也就是旧值 如果b没有被更改那么会给b进行赋值然后返回这个新值 这就是cas
cas的使用
在 Java 中，CAS 操作是由 Unsafe 类提供支持的，该类定义了三种针对不同类型变量的 CAS 操作
compareAndSwapObject
compareAndSwapInt
compareAndSwapLong
它们都是 native 方法，由 Java 虚拟机提供具体实现，这意味着不同的 Java 虚拟机对它们的实现可能会略有不同。
以 compareAndSwapInt 为例，Unsafe 的 compareAndSwapInt 方法接收 4 个参数，分别是：对象实例、内存偏移量、字段期望值、字段新值。该方法会针对指定对象实例中的相应偏移量的字段执行 CAS 操作。
public class CASTest {
public static void main(String[] args) {
Entity entity = new Entity();
Unsafe unsafe = UnsafeFactory.getUnsafe();
long offset = UnsafeFactory.getFieldOffset(unsafe, Entity.class, "x");
boolean successful;
// 4个参数分别是：对象实例、字段的内存偏移量、字段期望值、字段新值
successful = unsafe.compareAndSwapInt(entity, offset, 0, 3);
System.out.println(successful + "\t" + entity.x);
successful = unsafe.compareAndSwapInt(entity, offset, 3, 5);
System.out.println(successful + "\t" + entity.x);
successful = unsafe.compareAndSwapInt(entity, offset, 3, 8);
System.out.println(successful + "\t" + entity.x);
}
}
public class UnsafeFactory {
/**
* 获取 Unsafe 对象
* @return
*/
public static Unsafe getUnsafe() {
try {
Field field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
field.setAccessible(true);
return (Unsafe) field.get(null);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
return null;
}
/**
* 获取字段的内存偏移量
* @param unsafe
* @param clazz
* @param fieldName
* @return
*/
public static long getFieldOffset(Unsafe unsafe, Class clazz, String fieldName) {
try {
return unsafe.objectFieldOffset(clazz.getDeclaredField(fieldName));
} catch (NoSuchFieldException e) {
throw new Error(e);
}
}
针对 entity.x 的 3 次 CAS 操作，分别试图将它从 0 改成 3、从 3 改成 5、从 3 改成 8。
CAS源码分析
Hotspot 虚拟机对compareAndSwapInt 方法的实现如下：
#unsafe.cpp
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);
// 根据偏移量，计算value的地址
jint* addr = (jint *) index_oop_from_field_offset_long(p, offset);
// Atomic::cmpxchg(x, addr, e) cas逻辑 x:要交换的值 e:要比较的值
//cas成功，返回期望值e，等于e,此方法返回true
//cas失败，返回内存中的value值，不等于e，此方法返回false
return (jint)(Atomic::cmpxchg(x, addr, e)) == e;
核心逻辑在Atomic::cmpxchg方法中，这个根据不同操作系统和不同CPU会有不同的实现。这里我们以linux_64x的为例，查看
Atomic::cmpxchg的实现
#atomic_linux_x86.inline.hpp
inline jint Atomic::cmpxchg (jint exchange_value, volatile jint* dest, jint compare_value) {
//判断当前执行环境是否为多处理器环境
int mp = os::is_MP();
//LOCK_IF_MP(%4) 在多处理器环境下，为 cmpxchgl 指令添加 lock 前缀，以达到内存屏障的效果
//cmpxchgl 指令是包含在 x86 架构及 IA-64 架构中的一个原子条件指令，
//它会首先比较 dest 指针指向的内存值是否和 compare_value 的值相等，
//如果相等，则双向交换 dest 与 exchange_value，否则就单方面地将 dest 指向的内存值交给exchange_value。
//这条指令完成了整个 CAS 操作，因此它也被称为 CAS 指令。
__asm__ volatile (LOCK_IF_MP(%4) "cmpxchgl %1,(%3)"
: "=a" (exchange_value)
: "r" (exchange_value), "a" (compare_value), "r" (dest), "r" (mp)
: "cc", "memory");
return exchange_value;
CAS实现高效率锁 自旋锁
自旋锁就是让线程不断的空循环 不让线程被休眠 线程休眠就要调用操作系统的指令 进入内核态 这样效率就大大降低 cas实现自旋锁线程会一直空循环不会进入内核态 从而达到高效率
public class CASLock {
//加锁标记
private volatile int state;
private static final Unsafe UNSAFE;
private static final long OFFSET;
static {
try {
UNSAFE = UnsafeFactory.getUnsafe();
OFFSET = UnsafeFactory.getFieldOffset(
UNSAFE, CASLock.class, "state");
} catch (Exception e) {
throw new Error(e);
}
}
public boolean cas() {
return UNSAFE.compareAndSwapInt(this, OFFSET, 0, 1); // cas操作判断当前对象的state的值是不是0如果是0就更改成功如果不是就失败 这里在jvm源码中返回的是旧值 但是被jvm封装了 这里只要返回旧值就是false
}
public int getState() {
return state;
}
public void setState(int state) {
this.state = state;
}
}
public class Test {
private volatile static int sum = 0;
static Object object = "";
static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
static CASLock casLock = new CASLock();
public static void main(String[] args) {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
Thread thread = new Thread(() -> {
//synchronized (object) {
//lock.lock();
//
for(;;){ // 这个死循环就是所谓的自旋锁
//state=0
if(casLock.getState()==0&&casLock.cas()) {
try {
for (int j = 0; j < 10000; j++) {
sum++;
}
//
System.out.println(casLock.getState());
} finally {
//lock.unlock();
// state=0
casLock.setState(0);
}
break;
}
}
//}
});
thread.start();
}
try {
Thread.sleep(3000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(sum);
}
}
Atomic原子操作类
在并发编程中很容易出现并发安全的问题，有一个很简单的例子就是多线程更新变量i=1,比如多个线程执行i++操作，就有可能获取不到正确的值，而这个问题，最常用的方法是通过Synchronized进行控制来达到线程安全的目的。但是由于synchronized是采用的是悲观锁策略，并不是特别高效的一种解决方案。实际上，在J.U.C下的atomic包提供了一系列的操作简单，性能高效，并能保证线程安全的类去更新基本类型变量，数组元素，引用类型以及更新对象中的字段类型。atomic包下的这些类都是采用的是乐观锁策略去原子更新数据，在java中则是使用CAS操作具体实现。
原子类可分为五种
基本类型：AtomicInteger、AtomicLong、AtomicBoolean；
引用类型：AtomicReference、AtomicStampedRerence、AtomicMarkableReference；
数组类型：AtomicIntegerArray、AtomicLongArray、AtomicReferenceArray
对象属性原子修改器：AtomicIntegerFieldUpdater、AtomicLongFieldUpdater、AtomicReferenceFieldUpdater
原子类型累加器（jdk1.8增加的类）：DoubleAccumulator、DoubleAdder、LongAccumulator、LongAdder、Striped64
原子更新基本类型
以AtomicInteger为例总结常用的方法
//以原子的方式将实例中的原值加1，返回的是自增前的旧值；
public final int getAndIncrement() {
return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
}
//getAndSet(int newValue)：将实例中的值更新为新值，并返回旧值；
public final boolean getAndSet(boolean newValue) {
boolean prev;
do {
prev = get();
} while (!compareAndSet(prev, newValue));
return prev;
}
//incrementAndGet() ：以原子的方式将实例中的原值进行加1操作，并返回最终相加后的结果；
public final int incrementAndGet() {
return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
}
//addAndGet(int delta) ：以原子方式将输入的数值与实例中原本的值相加，并返回最后的结果；
public final int addAndGet(int delta) {
return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta) + delta;
}
使用
public class AtomicIntegerTest {
static AtomicInteger sum = new AtomicInteger(0);
public static void main(String[] args) {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
Thread thread = new Thread(() -> {
for (int j = 0; j < 10000; j++) {
// 原子自增 CAS
sum.incrementAndGet();
//TODO
}
});
thread.start();
}
try {
Thread.sleep(3000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(sum.get());
}
incrementAndGet()方法通过CAS自增实现，如果CAS失败，自旋直到成功+1。
incrementAndGet()方法最终回到这里
public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
int var5;
do {
var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
// compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4) 利用CAS不断的更新值直到成功为止
} while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));
return var5;
}
原子更新数组类型
AtomicIntegerArray为例总结常用的方法
//addAndGet(int i, int delta)：以原子更新的方式将数组中索引为i的元素与输入值相加；
public final int addAndGet(int i, int delta) {
return getAndAdd(i, delta) + delta;
}
//getAndIncrement(int i)：以原子更新的方式将数组中索引为i的元素自增加1；
public final int getAndIncrement(int i) {
return getAndAdd(i, 1);
}
//compareAndSet(int i, int expect, int update)：将数组中索引为i的位置的元素进行更新
public final boolean compareAndSet(int i, int expect, int update) {
return compareAndSetRaw(checkedByteOffset(i), expect, update);
}
测试
public class AtomicIntegerArrayTest {
static int[] value = new int[]{ 1, 2, 3, 4, 5 };
static AtomicIntegerArray atomicIntegerArray = new AtomicIntegerArray(value);
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
//设置索引0的元素为100
atomicIntegerArray.set(0, 100);
System.out.println(atomicIntegerArray.get(0));
//以原子更新的方式将数组中索引为1的元素与输入值相加
atomicIntegerArray.getAndAdd(1,5);
System.out.println(atomicIntegerArray);
}
LongAdder/DoubleAdder
之前有很多空循环也大大的浪废cpu的资源LongAdder/DoubleAdder解决了这个问题
AtomicLong是利用了底层的CAS操作来提供并发性的，比如addAndGet方法：
性能测试
public class LongAdderTest {
public static void main(String[] args) {
testAtomicLongVSLongAdder(10, 10000);
System.out.println("==================");
testAtomicLongVSLongAdder(10, 200000);
System.out.println("==================");
testAtomicLongVSLongAdder(100, 200000);
}
static void testAtomicLongVSLongAdder(final int threadCount, final int times) {
try {
long start = System.currentTimeMillis();
testLongAdder(threadCount, times);
long end = System.currentTimeMillis() - start;
System.out.println("条件>>>>>>线程数:" + threadCount + ", 单线程操作计数" + times);
System.out.println("结果>>>>>>LongAdder方式增加计数" + (threadCount * times) + "次,共计耗时:" + end);
long start2 = System.currentTimeMillis();
testAtomicLong(threadCount, times);
long end2 = System.currentTimeMillis() - start2;
System.out.println("条件>>>>>>线程数:" + threadCount + ", 单线程操作计数" + times);
System.out.println("结果>>>>>>AtomicLong方式增加计数" + (threadCount * times) + "次,共计耗时:" + end2);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
static void testAtomicLong(final int threadCount, final int times) throws InterruptedException {
CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threadCount);
AtomicLong atomicLong = new AtomicLong();
for (int i = 0; i < threadCount; i++) {
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
for (int j = 0; j < times; j++) {
atomicLong.incrementAndGet();
}
countDownLatch.countDown();
}
}, "my-thread" + i).start();
}
countDownLatch.await();
}
static void testLongAdder(final int threadCount, final int times) throws InterruptedException {
CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threadCount);
LongAdder longAdder = new LongAdder();
for (int i = 0; i < threadCount; i++) {
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
for (int j = 0; j < times; j++) {
longAdder.add(1);
}
countDownLatch.countDown();
}
}, "my-thread" + i).start();
}
countDownLatch.await();
}
LongAdder原理
10个线程各循环10万次对i+1 使用了自旋锁拿不到锁的线程得到了cpu时间片会空循环 LongAdder解决这个问题的原理 它会创建一个数组 获取当前线程的哈希值 然后对这个数组抹除 这样这个线程会进入数组中其中的一个 这时把我们要加的数记下来也就是1 第一次把1赋值给 为了好理解 这个创建一个数组 A[] a = new A[10] 假设来了一个线程进入了a[4] 第一次进入的时候把1赋值给A类中的属性（称为aa）上 第二次进去会对aa属性进行加1操作 然后所有线程执行完之后 把a数组中的每个A对象里的aa属性进行相加 最后的结果就是正确的 把一个属性拆分成多个属性最后把拆分的属性进行相加 得到结果这样的思想 大大的提升线程的利用率了