Java CAS底层实现原理实例详解

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。

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