面试被问到CAS原理,触及知识盲区,脸都绿了!


前提知识掌握

想要了解 CAS 底层原理,那么我们先来了解一下 java.uit.concurrent即JUC包的一个类即:AtomicInteger

那么 这个 AtomicInteger 有什么用呢 ?

我们平时开发或多或少都会使用到 i++ 这个操作,那么稍微了解多线程的同学都会知道,在多线程环境下,i++ 操作是线程不安全的操作,譬如下面这段代码:

public class Main {      private int i = 0;      public void addI() {         i++;     }      public static void main(String[] args) throws InterruptedException {         Main main = new Main();         for (int i = 1; i <= 100; i++) {             new Thread(() -> {                 for (int j = 1; j <= 200; j++) {                     main.addI();                 }             },String.valueOf(i)).start();         }         //两个线程  主线程 和 垃圾回收线程         while (Thread.activeCount() > 2) {             Thread.yield();         }         System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "t" + main.i);     }  } 

这段代码很简单,就是开启100个线程,每个线程进行200次 i++操作,那么我们来看看最后的答案:

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正常来说这个 i 最后的值应该是 20000,但是这里却是19884,当然来,并不是这个值每次都是19884,小伙伴们可以多试几次,但这些值都有一个共同的特性,就是基本上都是小于20000的(当然可能有时候就是20000,可以把线程数开多点,或者每个线程进行 i++次数弄多点)。

这是为什么呢?

原因就是:i++其实不是一个原子性操作,什么叫原子性操作?简单来说就是不可再拆分的操作,而 i++是可以继续拆分的操作,即非原子性操作,它的操作可以分为以下三步:

  1. 取出 i 的值
  2. 将 i 的值 进行 +1
  3. 将 i+1 后的值写回给 i(也就是写回给主内存)

这里涉及到 Java内存模型,不清楚的小伙伴可以参考参考这篇博文哦 ——> Java 内存模型(JMM)、happens-before规则(先行发生规则) 你能知多少?

假设: 现在 i = 1,在多线程环境中,可能线程A正在进行第二步操作,但此时线程B飞快地完成这三部操作,那么此时 i 的值为2,但是线程A并不知道 i 已经为2了,它还会继续往下执行,那么对于线程A来说 会将 i+1的值写回给 i 也就是将 2写回给i,那么最后 i 的值为2不是3就错误了。

那么就会有小伙伴说了,照你这么说直接用 volatile 修饰 i 不就行了。
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话不多说,先上代码

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这是为什么呢?

我们都知道 volatile进行写操作时会把最新的变量值强制刷新到主内存,还会导致其他线程里的缓存无效。也就是说,当线程B完成i++操作之后,线程A缓存的 i 的值会无效。

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但是
我们设想一下这样的场景, i = 10,如果线程A完成i+1操作后准备写回到主内存时阻塞了,此时B线程来了,上来就是一套 接——>化——>发,哦不不不,是一套拷贝、赋值、写入,啪一下,很快啊,B就搞完了,此时 i 为11,那么虽说由volatile保证可见性,但是A线程的+1操作已经完成,准备写入,所以此时A没有阻塞之后,继续进行写入操作,最终 i 的值就是A写入的值,即11,所以没有保证原子性,出现了线程不安全问题。

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那么到底要怎么解决呢?

就是使用我一开始提到的 AtomicInteger 解决这类问题,代码如下:

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可以看到结果是正确的,为此我还专门 调大了线程数和每个线程的i++次数,可结果仍然正确。

但这些只是前戏

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什么是CAS?

CAS中文翻译就是 比较并交换(Compare And Swap)

CAS操作包括了3个操作数:

  1. 需要读写的内存位置(V)
  2. 进行比较的预期值(A)
  3. 拟写入的新值(B)

当且仅当如果内存位置V的值等于预期的A值,则将该位置更新为新值B,否则不进行任何操作。许多CAS的操作是自旋的:如果操作不成功,会一直重试,直到操作成功为止。

但是既然涉及到了 交换 ,那么怎么保证原子性呢 ?

答案:CAS是由CPU支持的原子操作,其原子性是在硬件层面进行保证的。


CAS原理

那么今天的重点就是:CAS的实现原理,而AtomicInteger底层就是使用到的CAS。

public class Main {       public static void main(String[] args) throws InterruptedException {          AtomicInteger num = new AtomicInteger(0);         num.getAndIncrement();     }  } 
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而 compareAndSwapInt 是个 native方法
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可以看见 getAndIncrement() 方法返回的是 unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);

那么,这个 this就是当前的 AtomicInteger 对象,而valueOffset 是当前 AtomicInteger对象 value值的内存偏移量,而1 是每次需要增加的值。

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那么继续往下走就是 getAndAddInt() 方法

根据 一 一对应关系

  • var1 = this
  • var2 = valueOffset
  • var4 = 1

而 this.getIntVolatile(var1, var2); 可以理解为获取 var1对象对应的内存偏移量var4对应的值,赋值给 var5

最后是 compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4),即理解为如果当前 var1对象对应的var4内存偏移量所对应的值于var5相等的化,就对值进行更新。

    public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {         int var5;         do {             var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);         } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));          return var5;     } 

完犊子,不知不觉把 AtomicInteger 原理也讲了,这不就少写一篇博文,🤣


既然讲了,那就小总结一下吧:

AtomicInteger实现原理简单来说就是 Unsafe类 加 自旋(do while循环),如果在详细点就说 CAS嘛。

也可以说AtomicInteger是 CAS的一个使用场景,不仅是AtomicInteger,还有各种Atomic开头的原子类,内部都应用到了CAS。

而且上文中涉及到的 Unsafe类是 CAS的核心类,因为Java方法无法访问底层系统,所以需要通过 上文中的 compareAndSwapInt 这样的 native方法来进行访问Unsafe类存在于sun.misc包中,提供硬件级别的原子操作。

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CAS带来的问题

  • ABA问题 解决办法 → 如何解决 CAS 的 ABA问题
  • 如果自旋长时间不成功,那么循环开销时间大
  • 只能保证一个共享变量的操作 → 可以使用 AtomicReference 解决

本篇博文到此页也结束了

等等

读者大大:好歹总结一下CAS原理吧

皮皮虾:时刻为您效劳,只要点赞什么都好说(手动滑稽)


CAS原理总结,面试问到了到底该怎么说?

答:CAS是一种乐观锁机制具体实现为 Unsafe类 + 自旋,通过Unsafe类提供硬件级别的原子性操作保证了并发安全,加上自旋操作,解决了 Code皮皮虾,一个热爱分享知识的 皮皮虾爱好者,未来的日子里会不断更新出对大家有益的博文,期待大家的关注!!!

创作不易,如果这篇博文对各位有帮助,希望各位小伙伴可以一键三连哦!,感谢支持,我们下次再见~~~

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版权声明:玥玥 发表于 2021-05-20 20:24:35。
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