1.CAS
1）CAS概念
CAS时Compare And Swap缩写，即比较与交换是用于实现多线程同步的原子指令，它将内存位置的内容与给定值相比较，相同则修改内存位置的值为新值，而整个操作是调用的UnSafe的compareAndSwapObject、compareAndSwapInt或者compareAndSwapLong完成的，而这些方法都是native修饰的本地方法，是一种系统原语系统支持的操作。
2）CAS产生的影响（无锁执行）
CAS是一种无锁对象的原子操作，锁分为乐观锁和悲观锁，乐观派抱着几乎不会发生修改同一资源的状态，任意操作同意对象资源，如果遇到修改同一资源的情况，资源不会修改成功，能够保证资源的安全，而悲观派会认为同一资源被错误修改后会造成不可挽回的局面，故自能有一个线程修改资源，这样总会对系统性能产生一定的影响，拖慢自行速度，CAS即无锁执行者，被CAS修饰过的资源可以同时被多个线程修改依然能保证系统安全，无锁不需要等待提高系统性能，jdk提供的CAS原理实现的并发类Automic系列运用及其原理介绍。
3）Automic并发类CAS原理代码分析
首先介绍java的指针操作类UnSafe，Unsafe类是在sun.misc包下，不属于Java标准。但是很多Java的基础类库，包括一些被广泛使用的高性能开发库都是基于Unsafe类开发的，因为UnSafe使Java像C语言一样使其拥有操作内存指针的能力，因为操作内存指针容易出错，故起名UnSafe不安全的类，因此Java官方并不建议使用的，但CAS原理就是UnSafe类中的compareAndSwapObject、compareAndSwapInt和compareAndSwapLong方法实现的，该方法需传入四个参数：第一个参数代表给定的对象，第二个参数代表给定对象再内存中的偏移量，第三个参数标识对象的期望值，第四个参数标识要修改的值，并发保重的Automic系列的原子操作类都是使用UnSafe类实现的。
UnSafe源码如下：
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/*** 第一个参数var1代表给定对象，第二个参数var2代表var1对象在内存中的偏移量，第三个参数var3为期望修改* 的对象旧值，第四个参数var4代表要修改的值或着说是修改后的值。**/public final native boolean compareAndSwapObject(Object var1, long var2, Object var3, Object var4); 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); |
举例AtomicInteger源码实现原理：
AutomicInteger中的getAndSet实现原理解析：
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/** * 调用的UnSafe的getAndSetInt方法，给定值和偏移量和修改的值， * 获取修改的值var5作为compareAndSwapInt的第三个参数用来和var1比较相同则执行更新操作 * while循环知道操作成功。 *public final int getAndSetInt(Object var1, long var2, int var4) { * int var5; * do { * var5 = this.getIntVolatile(var1, var2); * } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var4)); * * return var5; *} **/ public final int getAndSet(int newValue) { return unsafe.getAndSetInt(this, valueOffset, newValue); } |
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package java.util.concurrent.atomic;import java.util.function.IntUnaryOperator;import java.util.function.IntBinaryOperator;import sun.misc.Unsafe; public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable { private static final long serialVersionUID = 6214790243416807050L; // 获取UnSafe对象实例 private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe(); //对象在内存中的偏移量 private static final long valueOffset; //初始化valueOffset static { try { valueOffset = unsafe.objectFieldOffset (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value")); } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); } } //对象属性值 private volatile int value; public AtomicInteger(int initialValue) { value = initialValue; } public AtomicInteger() { } /** * 调用的UnSafe的getAndSetInt方法，给定值和偏移量和修改的值， * 获取修改的值var5作为compareAndSwapInt的第三个参数用来和var1比较相同则执行更新操作 * while循环知道操作成功。 *public final int getAndSetInt(Object var1, long var2, int var4) { * int var5; * do { * var5 = this.getIntVolatile(var1, var2); * } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var4)); * * return var5; *} **/ public final int getAndSet(int newValue) { return unsafe.getAndSetInt(this, valueOffset, newValue); } //调用UnSafe的compareAndSwapInt方法保证CAS public final boolean compareAndSet(int expect, int update) { return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update); } //调用UnSafe的compareAndSwapInt方法保证CAS public final boolean weakCompareAndSet(int expect, int update) { return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update); } //调用UnSafe的getAndAddInt再调用UnSafe的getAndSetInt方法保证CAS public final int getAndIncrement() { return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1); } public final int getAndDecrement() { return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, -1); } .........} |
4）CAS导致的ABA问题
操作对象，获取对象后，执行CAS操作前，被其他线程修改后，且又修改为原来的对象值，导致CAS忽略其他线程的修改，成功执行CAS对象修改，这种情况就叫做ABA问题。
下图所示：
解决办法：
AtomicStampedReference类提供了解决办法，在对象之中又添加了stamp时间戳属性避免其他线程修改了多次并变回修改前的value值，但对比stamp不同便可知道对象是被修改过的，只有提供属性值和stamp时间戳相等才能成功执行CAS修改操作，里面包裹了一个键值对对象AtomicStampedReference.Pair<V> pair类型，pair中值为属性值，value为stamp时间戳，在执行CAS操作时需要提供原值的value和时间戳都相等的情况才能成功执行CAS操作。
AtomicMarkableReference类提供了解决办法，在对象之中又添加了stamp时间戳属性避免其他线程修改了多次并变回修改前的value值，但对比stamp不同便可知道对象是被修改过的，只有提供属性值和boolean类型的mark标记相等才能成功执行CAS修改操作，里面包裹了一个键值对对象AtomicMarkableReference.Pair<V> pair类型，pair中值为属性值，value为mark是否被修改的标记，在执行CAS操作时需要提供原值的value和mark标记都相等的情况才能成功执行CAS操作。
本文只介绍AtomicStampedReference类的源码分析，AtomicMarkableReference类同AtomicStampedReference类原理一样，
源码如下：
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package java.util.concurrent.atomic;public class AtomicStampedReference<V> { /** * 对象值时一个AtomicStampedReference内置对象Pair，包裹了reference和stamp两个属性 */ 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); } } private volatile Pair<V> pair; /** * 初始化对象并初始化pair */ public AtomicStampedReference(V initialRef, int initialStamp) { pair = Pair.of(initialRef, initialStamp); } /** * 比较当前对象属性值和输入原始值为真，在比较当前对象的时间stamp与期望的stamp进行比较 * 如果也想等，就更新值和stamp * @param expectedReference 原始值 * @param newReference 新值 * @param expectedStamp 期望时间 * @param newStamp 新时间 * @return {@code true} if successful */ public boolean compareAndSet(V expectedReference, V newReference, int expectedStamp, int newStamp) { Pair<V> current = pair; //赋值当前对象 return expectedReference == current.reference && expectedStamp == current.stamp && ((newReference == current.reference && newStamp == current.stamp) || casPair(current, Pair.of(newReference, newStamp))); } // Unsafe mechanics private static final sun.misc.Unsafe UNSAFE = sun.misc.Unsafe.getUnsafe(); private static final long pairOffset = objectFieldOffset(UNSAFE, "pair", AtomicStampedReference.class); private boolean casPair(Pair<V> cmp, Pair<V> val) { return UNSAFE.compareAndSwapObject(this, pairOffset, cmp, val); } static long objectFieldOffset(sun.misc.Unsafe UNSAFE, String field, Class<?> klazz) { try { return UNSAFE.objectFieldOffset(klazz.getDeclaredField(field)); } catch (NoSuchFieldException e) { // Convert Exception to corresponding Error NoSuchFieldError error = new NoSuchFieldError(field); error.initCause(e); throw error; } }} |
以上为个人经验，希望能给大家一个参考，也希望大家多多支持服务器之家。
原文链接：https://blog.csdn.net/lishentao_1122/article/details/88853915
