Java CAS底层实现原理实例详解
什么是CAS
CAS是Compare And Swap(比较并交换)的缩写。它是一种并发操作,常用于多线程环境下。CAS操作包含3个操作数——内存位置(V)、预期原值(A)和新值(B)。操作仅在当前内存值等于预期原值时,将内存值修改为所需的新值。CAS是原子操作,保证了操作的原子性。
实现CAS需要硬件的支持。Java中的CAS是由CPU指令集提供支持,通过JNI的方式调用操作系统实现,也可直接使用JDK提供的Atomic包里的类来调用底层CAS指令。
CAS的优劣
CAS操作是一种乐观锁(Optimistic Lock),相较于悲观锁(Pessimistic Lock)在保证线程安全的情况下,操作效率更高。CAS操作无需加锁,也不像悲观锁那样会出现死锁等问题。
但是,CAS操作也有自己的缺点。如高并发情况下,CAS操作的竞争激烈,会导致操作失败。此时,为保证线程安全和内存数据一致性,需要加锁使用synchronized等同步方法,这将使操作效率下降。
CAS的实例说明
示例一:使用AtomicInteger实现CAS
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
class Test {
// 初始化原子整型变量为0
private static AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);
public static void main(String[] args) {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
int expect = atomicInteger.get();
int update = expect + 1;
// 如果当前值等于预期值,则更新,否则不更新
while (!atomicInteger.compareAndSet(expect, update)) {
expect = atomicInteger.get();
update = expect + 1;
}
}
}).start();
}
// 等待线程执行完成
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("最终结果为:" + atomicInteger.get());
}
}
上述示例中,我们通过AtomicInteger类型的变量来实现CAS操作。首先我们初始化一个原子整型变量值为0。然后使用多线程执行同一个任务,不断使用compareAndSet方法进行CAS操作。
在CAS操作中,我们需要先获取当前值expect,然后再计算出要设置的新值update。接着使用CAS指令,如果当前值等于预期值(expect),则更新为新值(update),否则继续循环直到成功。
等待线程执行完成后,我们输出最终结果。
示例二:使用Unsafe类实现CAS
import sun.misc.Unsafe;
import java.lang.reflect.Field;
class Test {
// 反射获取Unsafe类
private static Unsafe unsafe = null;
static {
try {
Field theUnsafe = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
theUnsafe.setAccessible(true);
unsafe = (Unsafe) theUnsafe.get(null);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
// 初始化变量为0
private static int value = 0;
public static void main(String[] args) {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
int expect = value;
int update = expect + 1;
// 使用CAS指令更新变量值
while (!unsafe.compareAndSwapInt(Test.class, unsafe.objectFieldOffset(Test.class.getDeclaredField("value")), expect, update)) {
expect = value;
update = expect + 1;
}
}
}).start();
}
// 等待线程执行完成
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("最终结果为:" + value);
}
}
上述示例中,我们使用Unsafe类来实现CAS操作。首先通过反射获取Unsafe对象。然后初始化变量值为0,再使用多线程执行同一个任务。
在CAS操作中,我们同样需要先获取当前值expect,然后再计算出要设置的新值update。接着使用CAS指令,如果当前值等于预期值(expect),则更新为新值(update),否则继续循环直到成功。
等待线程执行完成后,我们输出最终结果。
总结
本文详细讲解了CAS的底层实现原理,并提供了两个示例来说明CAS的使用方式。CAS虽然存在缺点,但在保证线程安全和并发效率上优于悲观锁,因此在多线程编程中使用CAS可以得到有效的优化和提升。
本站文章如无特殊说明,均为本站原创,如若转载,请注明出处:Java CAS底层实现原理实例详解 - Python技术站