引言

    java多线程编程中难免会遇到资源共享。这里将会讲解一下java多线程中的CAS机制和锁的基础概念。java多线程编程_java多线程安全_java多线程实现安全锁CAS机制,CAS在java多线程中相当于数据库的乐观锁,synchronized相当于数据库的乐观锁。

一.java多线程编程常见问题

java多线程示例程序:启动两个线程,每个线程中让静态共享变量count循环累加100次

java多线程示例代码:
package xqlee.net.project.demo.thread.synchronize;

public class ForTest {
	public static int count = 0;

	public static void main(String[] args) {
		// 开启两个线程
		for (int i = 0; i < 2; i++) {
			new Thread(new Runnable() {

				@Override
				public void run() {
					try {
						Thread.sleep(10);
					} catch (Exception e) {
						e.printStackTrace();
					}
					//每个线程累计加100
					for (int j = 0; j < 100; j++) {
						count++;
						// System.out.println(count);
					}
				}
			}).start();
		}
		try {
			Thread.sleep(2000);
		} catch (Exception e) {
			e.printStackTrace();
		}
		System.out.println("count=" + count);
	}
}
疑惑:最终输出的count结果是多少呢?两个线程执行完毕一定是200吗?

答案:因为这段代码不是线程安装的,所以最终的自增结果很有可能会小于200。
尝试执行结果:
java多线程演示代码执行结果
接下来,修改上面的演示代码。通过关键字synchronized在java多线程编程实现中添加一个锁。这个是个重量级的锁。后续详说。
修改后演示代码如下:
package xqlee.net.project.demo.thread.synchronize;

public class ForTest {
	public static int count = 0;

	public static void main(String[] args) {
		// 开启两个线程
		for (int i = 0; i < 2; i++) {
			new Thread(new Runnable() {

				@Override
				public void run() {
					try {
						Thread.sleep(10);
					} catch (Exception e) {
						e.printStackTrace();
					}
					//每个线程累计加100
					for (int j = 0; j < 100; j++) {
						synchronized (ForTest.class) {
							count++;
						}
						// System.out.println(count);
					}
				}
			}).start();
		}
		try {
			Thread.sleep(2000);
		} catch (Exception e) {
			e.printStackTrace();
		}
		System.out.println("count=" + count);
	}
}

再次执行演示代码,查看结果:
java多线程编程加锁后的执行结果
    加了同步锁之后,count自增的操作变成了原子性操作,所以最终的输出一定是count=200,代码实现了线程安全。

    但是注意,虽然synchronized确保了线程的安全,但是在某些情况下,却不是一个最优选择。为啥这么说呢?关键在于synchronized存在性能问题。synchronized关键字会让没有得到锁资源的线程进入BLOCKED状态,而后再争夺到锁资源后恢复为RUNNABLE状态,这个过程中涉及到操作系统用户模式内核模式的转换,代价比较高。尽管Java1.6为Synchronized做了优化,增加了从偏向锁轻量级锁再到重量级锁的过度,但是在最终转变为重量级锁之后,性能仍然较低。


那么有啥好的其他解决办法嘛?
有:原子操作类;
JDK中的原子操作类

  所谓原子操作类,指的是java.util.concurrent.atomic包下,一系列以Atomic开头的包装类。例如AtomicBooleanAtomicIntegerAtomicLong。它们分别用于Boolean,Integer,Long类型的原子性操作。

现在我们尝试在代码中引入AtomicInteger类:

package xqlee.net.project.demo.thread.synchronize;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class ForTest2 {
	public static AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);

	public static void main(String[] args) {
		// 开启两个线程
		for (int i = 0; i < 2; i++) {
			new Thread(new Runnable() {

				@Override
				public void run() {
					try {
						Thread.sleep(10);
					} catch (Exception e) {
						e.printStackTrace();
					}
					//每个线程累计加100
					for (int j = 0; j < 100; j++) {
						count.incrementAndGet();
						// System.out.println(count);
					}
				}
			}).start();
		}
		try {
			Thread.sleep(2000);
		} catch (Exception e) {
			e.printStackTrace();
		}
		System.out.println("count=" + count);
	}
}

演示执行结果:
原子操作类进行乐观锁
使用AtomicInteger之后,最终的输出结果同样可以保证是200。并且在某些情况下,代码的性能会比Synchronized更好。

那么Atomic操作类底层到底利用了什么手段呢?
其实Atomic就是用到了我们要讲的[CAS机制]
 

什么是CAS?

 

CAS是英文单词Compare And Swap的缩写,翻译过来就是比较并替换。

 

CAS机制当中使用了3个基本操作数:内存地址V,旧的预期值A,要修改的新值B。

更新一个变量的时候,只有当变量的预期值A和内存地址V当中的实际值相同时,才会将内存地址V对应的值修改为B。

这样说或许有些抽象,我们来看一个例子:

1.在内存地址V当中,存储着值为10的变量。

内存地址V
2.此时线程1想要把变量的值增加1。对线程1来说,旧的预期值A=10,要修改的新值B=11。
内存地址V2

3.在线程1要提交更新之前,另一个线程2抢先一步,把内存地址V中的变量值率先更新成了11。

内存地址V3
4.线程1开始提交更新,首先进行A和地址V的实际值比较(Compare),发现A不等于V的实际值,提交失败。
内存地址V4
5.线程1重新获取内存地址V的当前值,并重新计算想要修改的新值。此时对线程1来说,A=11,B=12。这个重新尝试的过程被称为自旋

内存地址V5
6.这一次比较幸运,没有其他线程改变地址V的值。线程1进行Compare,发现A和地址V的实际值是相等的。

内存地址6
7.线程1进行SWAP,把地址V的值替换为B,也就是12。
内存地址7
    所以从思想上来说,Synchronized属于悲观锁,悲观地认为程序中的并发情况严重,所以严防死守。CAS属于乐观锁,乐观地认为程序中的并发情况不那么严重,所以让线程不断去尝试更新。

两种机制CAS机制和Synchronized,没有绝对的好坏。那么如何抉择呢?
在并发量非常搞的情况下使用Synchronized同步锁更适合一些。

CAS缺点:

1.CPU开销较大

在并发量比较高的情况下,如果许多线程反复尝试更新某一个变量,却又一直更新不成功,循环往复,会给CPU带来很大的压力。

2.不能保证代码块的原子性

CAS机制所保证的只是一个变量的原子性操作,而不能保证整个代码块的原子性。比如需要保证3个变量共同进行原子性的更新,就不得不使用Synchronized了。

3.ABA问题

这是CAS机制最大的问题所在。

什么是ABA问题?怎么解决?我们后面来详细介绍。

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