Java CAS原子操作詳解
一.什么是CAS
CAS（Compare And Swap，比較并交換），通常指的是這樣一種原子操作：針對(duì)一個(gè)變量，首先比較它的內(nèi)存值與某個(gè)期望值是否相同，如果相同，就給它賦一個(gè)新值。
- CAS是一個(gè)不可分割的原子操作，并且其原子性是直接在硬件層面得到保障的。
- CAS是樂(lè)觀鎖（對(duì)比數(shù)據(jù)庫(kù)的悲觀、樂(lè)觀鎖）的一種實(shí)現(xiàn)方式，Java原子類(lèi)中的遞增操 作就通過(guò)CAS自旋實(shí)現(xiàn)的。
- CAS是一種無(wú)鎖算法，在不使用鎖（沒(méi)有線(xiàn)程被阻塞）的情況下實(shí)現(xiàn)多線(xiàn)程之間的變量同步。
二.流程
三.應(yīng)用
在 Java 中，CAS 操作是由 Unsafe 類(lèi)提供支持的，該類(lèi)定義了三種針對(duì)不同類(lèi)型變量的 CAS 操作
public final native boolean compareAndSwapObject(Object var1, long var2, Object var4, Object var5);
public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);
public final native boolean compareAndSwapLong(Object var1, long var2, long var4, long var6);
它們都是 native 方法，由 Java 虛擬機(jī)提供具體實(shí)現(xiàn)，這意味著不同的 Java 虛擬機(jī)對(duì)它們的實(shí)現(xiàn)可能會(huì)略有不同。
以compareAndSwapInt為例，該方法提供四個(gè)參數(shù)，分別是：對(duì)象實(shí)例、內(nèi)存偏移量、字段期望值、字段新值。該方法會(huì)針對(duì)指定對(duì)象實(shí)例中的相應(yīng)偏移量的字段執(zhí)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");
//12
System.out.println(offset);
boolean successful;
// 4個(gè)參數(shù)分別是：對(duì)象實(shí)例、字段的內(nèi)存偏移量、字段期望值、字段更新值
//x是不是等于0，如果等于0就把它修改為3
successful = unsafe.compareAndSwapInt(entity, offset, 0, 3);
System.out.println(successful + "-----" + entity.x);
successful = unsafe.compareAndSwapInt(entity, offset, 3, 5);
System.out.println(successful + "-----" + entity.x);
successful = unsafe.compareAndSwapInt(entity, offset, 3, 8);
System.out.println(successful + "-----" + entity.x);
}
}
class Entity{
int x;
}
public class UnsafeFactory {
/**
* 獲取 Unsafe 對(duì)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;
}
/**
* 獲取字段的內(nèi)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);
}
}
}
將x做了三次修改，執(zhí)行結(jié)果是：
12
true-----3
true-----5
false-----5
四.源碼解析
Hotspot 虛擬機(jī)對(duì)compareAndSwapInt 方法的實(shí)現(xiàn)如下：
#unsafe.cpp
UNSAFE_ENTRY(jboolean, Unsafe_CompareAndSwapInt(JNIEnv *env, jobject unsafe, jo bject obj, jlong offset, jint e, jint x))
UnsafeWrapper("Unsafe_CompareAndSwapInt");
oop p = JNIHandles::resolve(obj);
// 根據(jù)偏移量，計(jì)算value的地址
jint* addr = (jint *) index_oop_from_field_offset_long(p, offset);
// Atomic::cmpxchg(x, addr, e) cas邏輯 x:要交換的值 e:要比較的值
//cas成功，返回期望值e，等于e,此方法返回true
//cas失敗，返回內(nèi)存中的value值，不等于e，此方法返回false
return (jint)(Atomic::cmpxchg(x, addr, e)) == e;
UNSAFE_END
核心邏輯在Atomic::cmpxchg方法中，這個(gè)根據(jù)不同操作系統(tǒng)和不同CPU會(huì)有不同的 實(shí)現(xiàn)。這里我們以linux_64x的為例，查看Atomic::cmpxchg的實(shí)現(xiàn)
#atomic_linux_x86.inline.hpp
inline jint Atomic::cmpxchg (jint exchange_value, volatile jint* dest, jint com pare_value) {
//判斷當(dāng)前執(zhí)行環(huán)境是否為多處理器環(huán)境
int mp = os::is_MP();
//LOCK_IF_MP(%4)在多處理器環(huán)境下，為cmpxchgl指令添加lock前綴，以達(dá)到內(nèi)存屏障的效果
//cmpxchgl 指令是包含在 x86 架構(gòu)及 IA‐64 架構(gòu)中的一個(gè)原子條件指令，
//它會(huì)首先比較 dest 指針指向的內(nèi)存值是否和 compare_value 的值相等，
//如果相等，則雙向交換 dest 與 exchange_value，否則就單方面地將dest指向的內(nèi)存值交給exchange_value。
//這條指令完成了整個(gè)CAS操作，因此它也被稱(chēng)為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;
}
需要注意的是cmpxchg有個(gè)隱含操作數(shù)eax，其實(shí)際過(guò)程是先比較eax的值(也就是 compare_value)和dest地址所存的值是否相等， 輸出是"=a" (exchange_value)，表示把eax中存的值寫(xiě)入exchange_value變量中。
Atomic::cmpxchg這個(gè)函數(shù)最終返回值是exchange_value，也就是說(shuō)，如果cmpxchgl執(zhí)行時(shí)compare_value和dest指針指向內(nèi)存值相等則會(huì)使得dest指針指向內(nèi)存值變成 exchange_value，最終eax存的compare_value賦值給了exchange_value變量，即函數(shù)最終返回的值是原先的compare_value。此時(shí)Unsafe_CompareAndSwapInt的返回值(jint) (Atomic::cmpxchg(x, addr, e)) == e就是true，表明CAS成功。如果cmpxchgl執(zhí)行時(shí) compare_value和(dest)不等則會(huì)把當(dāng)前dest指針指向內(nèi)存的值寫(xiě)入eax，最終輸出時(shí)賦值給exchange_value變量作為返回值，導(dǎo)致(jint)(Atomic::cmpxchg(x, addr, e)) == e得到 false，表明CAS失敗。
不管是 Hotspot 中的 Atomic::cmpxchg 方法，還是 Java 中的 compareAndSwapInt 方法，它 們本質(zhì)上都是對(duì)相應(yīng)平臺(tái)的 CAS 指令的一層簡(jiǎn)單封裝。CAS 指令作為一種硬件原語(yǔ)，有著天然 的原子性，這也正是 CAS 的價(jià)值所在。
五.缺點(diǎn)
CAS 雖然高效地解決了原子操作，但是還是存在一些缺陷的，主要表現(xiàn)在三個(gè)方面：
- 自旋 CAS 長(zhǎng)時(shí)間地不成功，則會(huì)給 CPU 帶來(lái)非常大的開(kāi)銷(xiāo)
- 只能保證一個(gè)共享變量原子操作
- ABA 問(wèn)題
六.ABA 問(wèn)題及解決方案
CAS算法實(shí)現(xiàn)一個(gè)重要前提需要取出內(nèi)存中某時(shí)刻的數(shù)據(jù)，而在下時(shí)刻比較并替換，那么在這個(gè)時(shí)間差類(lèi)會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)的變化。
當(dāng)有多個(gè)線(xiàn)程對(duì)一個(gè)原子類(lèi)進(jìn)行操作的時(shí)候，某個(gè)線(xiàn)程在短時(shí)間內(nèi)將原子類(lèi)的值A(chǔ)修改為B，又馬上將其修改為A，此時(shí)其他線(xiàn)程不感知，還是會(huì)修改成功。
代碼演示
public class ABATest {
public static void main(String[] args) {
AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(1);
new Thread(()->{
int value = atomicInteger.get();
log.debug("Thread1 read value: " + value);
// 阻塞1s
LockSupport.parkNanos(1000000000L);
// Thread1通過(guò)CAS修改value值為3
if (atomicInteger.compareAndSet(value, 3)) {
log.debug("Thread1 update from " + value + " to 3");
} else {
log.debug("Thread1 update fail!");
}
},"Thread1").start();
new Thread(()->{
int value = atomicInteger.get();
log.debug("Thread2 read value: " + value);
// Thread2通過(guò)CAS修改value值為2
if (atomicInteger.compareAndSet(value, 2)) {
log.debug("Thread2 update from " + value + " to 2");
// do something
value = atomicInteger.get();
log.debug("Thread2 read value: " + value);
// Thread2通過(guò)CAS修改value值為1
if (atomicInteger.compareAndSet(value, 1)) {
log.debug("Thread2 update from " + value + " to 1");
}
}
},"Thread2").start();
}
}
Thread1 read value: 1
Thread2 read value: 1
Thread2 update from 1 to 2
Thread2 read value: 2
Thread2 update from 2 to 1
Thread1 update from 1 to 3
Thread1以為值沒(méi)有更新過(guò)，還是將1更新為了3
解決：
數(shù)據(jù)庫(kù)有個(gè)鎖稱(chēng)為樂(lè)觀鎖，是一種基于數(shù)據(jù)版本實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步的機(jī)制，每次修改一次數(shù)據(jù)，版本就會(huì)進(jìn)行累加。 同樣，Java也提供了相應(yīng)的原子引用類(lèi)AtomicStampedReference。
public class AtomicStampedReference<V> {
private static class Pair<T> {
final T reference;
final int stamp;
private Pair(T reference, int stamp) {
this.reference = reference;
this.stamp = stamp;
}
static <T> Pair<T> of(T reference, int stamp) {
return new Pair<T>(reference, stamp);
}
}
...
stamp是版本，每次修改可以通過(guò)+1保證版本唯一性。這樣 就可以保證每次修改后的版本也會(huì)往上遞增。
public class AtomicStampedReferenceTest {
public static void main(String[] args) {
// 定義AtomicStampedReference Pair.reference值為1, Pair.stamp為1
AtomicStampedReference atomicStampedReference = new AtomicStampedReference(1,1);
new Thread(()->{
int[] stampHolder = new int[1];
int value = (int) atomicStampedReference.get(stampHolder);
int stamp = stampHolder[0];
log.debug("Thread1 read value: " + value + ", stamp: " + stamp);
// 阻塞1s
LockSupport.parkNanos(1000000000L);
// Thread1通過(guò)CAS修改value值為3 stamp是版本，每次修改可以通過(guò)+1保證版本唯一性
if (atomicStampedReference.compareAndSet(value, 3,stamp,stamp+1)) {
log.debug("Thread1 update from " + value + " to 3");
} else {
log.debug("Thread1 update fail!");
}
},"Thread1").start();
new Thread(()->{
int[] stampHolder = new int[1];
int value = (int)atomicStampedReference.get(stampHolder);
int stamp = stampHolder[0];
log.debug("Thread2 read value: " + value+ ", stamp: " + stamp);
// Thread2通過(guò)CAS修改value值為2
if (atomicStampedReference.compareAndSet(value, 2,stamp,stamp+1)) {
log.debug("Thread2 update from " + value + " to 2");
// do something
value = (int) atomicStampedReference.get(stampHolder);
stamp = stampHolder[0];
log.debug("Thread2 read value: " + value+ ", stamp: " + stamp);
// Thread2通過(guò)CAS修改value值為1
if (atomicStampedReference.compareAndSet(value, 1,stamp,stamp+1)) {
log.debug("Thread2 update from " + value + " to 1");
}
}
},"Thread2").start();
}
}
Thread1 read value: 1, stamp: 1
Thread2 read value: 1, stamp: 1
Thread2 update from 1 to 2
Thread2 read value: 2, stamp: 2
Thread2 update from 2 to 1
Thread1 update fail!
因?yàn)榘姹静灰粯?，Thread1沒(méi)有將值修改成功，這就解決了ABA問(wèn)題。
到此這篇關(guān)于Java CAS原子操作詳解的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java CAS內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！
相關(guān)文章
Java和SQL實(shí)現(xiàn)取兩個(gè)字符間的值
這篇文章主要介紹了Java和SQL實(shí)現(xiàn)取兩個(gè)字符間的值操作，具有很好的參考價(jià)值，希望對(duì)大家有所幫助。如有錯(cuò)誤或未考慮完全的地方，望不吝賜教2021-06-06
Java實(shí)現(xiàn)短信驗(yàn)證碼的示例代碼
Java是一種流行的編程語(yǔ)言，驗(yàn)證碼是一種常用的網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)。Java發(fā)展至今，網(wǎng)上也出現(xiàn)了各種各樣的驗(yàn)證碼，下面是用Java實(shí)現(xiàn)短信驗(yàn)證碼的總結(jié)，感興趣的可以了解一下2023-03-03
這篇文章主要介紹了java中的transient關(guān)鍵字解讀,transient關(guān)鍵字的主要作用就是讓某些被transient關(guān)鍵字修飾的成員屬性變量不被序列化,實(shí)際上也正是因此,在學(xué)習(xí)過(guò)程中很少用得上序列化操作,一般都是在實(shí)際開(kāi)發(fā)中,需要的朋友可以參考下2023-09-09
這篇文章主要介紹了Maven構(gòu)建生命周期詳細(xì)介紹，小編覺(jué)得還是挺不錯(cuò)的，這里分享給大家，需要的朋友可以參考下。2017-11-11
Java Feign微服務(wù)接口調(diào)用方法詳細(xì)講解
現(xiàn)如今微服務(wù)架構(gòu)十分流行，而采用微服務(wù)構(gòu)建系統(tǒng)也會(huì)帶來(lái)更清晰的業(yè)務(wù)劃分和可擴(kuò)展性。java如果使用微服務(wù)就離不開(kāi)springcloud，我這里是把服務(wù)注冊(cè)到nacos上，各個(gè)服務(wù)之間的調(diào)用使用feign2023-01-01
Spring中ApplicationContextAware的使用方法詳解
ApplicationContextAware?通過(guò)它Spring容器會(huì)自動(dòng)把上下文環(huán)境對(duì)象調(diào)用ApplicationContextAware接口中的setApplicationContext方法，這篇文章主要介紹了Spring中ApplicationContextAware的作用,需要的朋友可以參考下2023-03-03
SpringBoot集成FastDFS+Nginx整合基于Token的防盜鏈的方法
這篇文章主要介紹了SpringBoot集成FastDFS+Nginx整合基于Token的防盜鏈的方法，小編覺(jué)得挺不錯(cuò)的，現(xiàn)在分享給大家，也給大家做個(gè)參考。一起跟隨小編過(guò)來(lái)看看吧2019-04-04
使用自定義注解+springAop實(shí)現(xiàn)參數(shù)非空校驗(yàn)方式
這篇文章主要介紹了使用自定義注解+springAop實(shí)現(xiàn)參數(shù)非空校驗(yàn)方式，具有很好的參考價(jià)值，希望對(duì)大家有所幫助。如有錯(cuò)誤或未考慮完全的地方，望不吝賜教2021-09-09
這篇文章主要介紹了Java編程使用卡片布局管理器,結(jié)合實(shí)例形式分析了java基于swing組件的卡片布局管理器具體實(shí)現(xiàn)與使用技巧,需要的朋友可以參考下2018-01-01
Mybatis 查詢(xún)語(yǔ)句條件為枚舉類(lèi)型時(shí)報(bào)錯(cuò)的解決
這篇文章主要介紹了Mybatis 查詢(xún)語(yǔ)句條件為枚舉類(lèi)型時(shí)報(bào)錯(cuò)的解決方案，具有很好的參考價(jià)值，希望對(duì)大家有所幫助。如有錯(cuò)誤或未考慮完全的地方，望不吝賜教2022-01-01