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JUC：cas 算法、原子类、原子引用类

发布时间 2023-05-24 16:58:50作者: 黄光跃

什么是 CAS

  • 全称是 Compare-And-Swap，对数据进行 原子性 操作，sun.misc.Unsafe 类的各个 native 方法实现的
  • 比较当前工作内存中的值和主内存中的值，如果相同则执行规定操作，否则什么都不做或者重来一次，重来就是自旋锁了 java各种锁看这里

CAS VS volatile VS synchronized

  • CAS：保证原子性
  • volatile：保证可见性和有序性
  • synchronized：保证原子性、可见性和有序性

volatile+CAS 可以做到 synchronized 做的事儿，意味着不需要 synchronized 这个重量级锁也能保证线程安全了
原子类是线程安全的，底层就是使用的 volatile+CAS

CAS 问题

synchronized 是悲观锁，CAS 是乐观锁，因此 CAS 通常情况下性能会更高。但是 CAS 并不是没有弊端

  • ABA 问题：值原来是 A 改成 B 再改成 A。最终是没有变化，但是过程中发生了变化
    • 解决方式：加个版本号之类的变量，A -> B -> C 变成 A1 -> B2 -> A3；类似数据库的乐观锁 version
    • JDK 的 Atomic 包里提供了一个类 AtomicStampedReference 来解决问题
  • CPU 开销：不自旋还好，如果需要自旋 cpu 会空转导致开销非常大（所以要自旋一定要考虑好自旋的次数，ReentrantLock底层休眠会释放CPU使用权，得到令牌后再唤醒线程，并不会空转）
  • 只能保证一个变量原子操作：JDK1.5 开始提供了原子引用来保证对象的原子操作（AtomicReference）变相的保证多个变量的原子性

原子类

java.util.concurrent.atomic 包下已经封装好的原子类（AtomicBoolean，AtomicLong，AtomicInteger 分别针对 bool，interger，long的原子类）

AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(1);
// 这里其实有三个步骤，获取原来的值、比较、赋新值；这个过程是原子性的，没有用 synchronized，底层调用了 Unsafe 的方法
atomicInteger.compareAndSet(1, 2);
atomicInteger.compareAndSet(3, 4);

原子引用类

java.util.concurrent.atomic 下除了提供基本数据类型的原子类，还提供了原子引用类 AtomicReference，用于封装自定义对象

AtomicReference<ShopDto> shopDtoAtomicReference = new AtomicReference<>();
ShopDto shopDto1 = new ShopDto();
shopDto1.setId(1L);
ShopDto shopDto2 = new ShopDto();
shopDto2.setId(2L);
shopDtoAtomicReference.set(shopDto1);
shopDtoAtomicReference.compareAndSet(shopDto1, shopDto2);

AtomicStampedReference 解决 aba 问题

内部维护了一个 Pair 内部类，初始化的时候同时维护 Pair，原理和数据库的乐观锁实现方式一致，带着版本号才能成功更新数据，常用的方法如下

方法 解释
public AtomicStampedReference(V initialRef, int initialStamp) 构造函数，初始化引用和版本号
public V getReference() 以原子方式获取当前引用值
public int getStamp() 以原子方式获取当前版本号
public V get(int[] stampHolder) 以原子方式获取当前引用值和版本号
public void set(V newReference, int newStamp) 以原子方式设置引用的当前值和新值，新引用值和新版本号只要有一个跟当前值不一样，就进行更新
public boolean compareAndSet(V expectedReference,V newReference,int expectedStamp,int newStamp) 带着新的版本号和值更新，失败返回false

示例

// 第一个是值，第二个是版本号
AtomicStampedReference<Integer> stampedReference = new AtomicStampedReference<>(100, 1);
// 获取版本号
int stamp = stampedReference.getStamp();
// 值改为 101，同事版本号+1
stampedReference.compareAndSet(100, 101, stamp, stamp+1);