java

关注公众号 jb51net

关闭
首页 > 软件编程 > java > Java多线程并发Unsafe与CAS

Java多线程并发Unsafe与CAS的用法解读

作者：二六八

这篇文章主要介绍了Java多线程并发Unsafe与CAS的用法,具有很好的参考价值,希望对大家有所帮助,如有错误或未考虑完全的地方,望不吝赐教

Java多线程并发 Unsafe与CAS的理解

1 Unsafe是什么

Java无法直接访问底层操作系统，而是通过本地（native）方法来访问。不过尽管如此，JVM还是开了一个后门，JDK中有一个类Unsafe，它提供了硬件级别的原子操作。

这个类尽管里面的方法都是public的，但是并没有办法使用它们，JDK API文档也没有提供任何关于这个类的方法的解释。总而言之，对于Unsafe类的使用都是受限制的，只有授信的代码才能获得该类的实例，当然JDK库里面的类是可以随意使用的。

从第一行的描述可以了解到Unsafe提供了硬件级别的操作，比如说获取某个属性在内存中的位置，比如说修改对象的字段值，即使它是私有的。不过Java本身就是为了屏蔽底层的差异，对于一般的开发而言也很少会有这样的需求。

public native long staticFieldOffset(Field paramField);

这个方法可以用来获取给定的paramField的内存地址偏移量，这个值对于给定的field是唯一的且是固定不变的。

再比如说：

public native int arrayBaseOffset(Class paramClass);
public native int arrayIndexScale(Class paramClass);

前一个方法是用来获取数组第一个元素的偏移地址，后一个方法是用来获取数组的转换因子即数组中元素的增量地址的。

最后看三个方法：

public native long allocateMemory(long paramLong);
public native long reallocateMemory(long paramLong1, long paramLong2);
public native void freeMemory(long paramLong);

分别用来分配内存，扩充内存和释放内存的。

当然这需要有一定的C/C++基础，对内存分配有一定的了解，这也是为什么我一直认为C/C++开发者转行做Java会有优势的原因。

2 CAS是什么

CAS，Compare and Swap即比较并交换，设计并发算法时常用到的一种技术，java.util.concurrent包全完建立在CAS之上，没有CAS也就没有此包，可见CAS的重要性。

当前的处理器基本都支持CAS，只不过不同的厂家的实现不一样罢了。CAS有三个操作数：内存值V、旧的预期值A、要修改的值B，当且仅当预期值A和内存值V相同时，将内存值修改为B并返回true，否则什么都不做并返回false。

CAS也是通过Unsafe实现的，看下Unsafe下的三个方法：

public final native boolean compareAndSwapObject(Object paramObject1, long paramLong, Object paramObject2, Object paramObject3);
public final native boolean compareAndSwapInt(Object paramObject, long paramLong, int paramInt1, int paramInt2);
public final native boolean compareAndSwapLong(Object paramObject, long paramLong1, long paramLong2, long paramLong3);

就拿中间这个比较并交换Int值为例好了，如果我们不用CAS，那么代码大致是这样的：

public int i = 1;
    
public boolean compareAndSwapInt(int j)
{
    if (i == 1)
    {
        i = j;
        return true;
    }
    return false;
}

当然这段代码在并发下是肯定有问题的，有可能线程1运行到了第5行正准备运行第7行，线程2运行了，把i修改为10，线程切换回去，线程1由于先前已经满足第5行的if了，所以导致两个线程同时修改了变量i。

解决办法也很简单，给compareAndSwapInt方法加锁同步就行了，这样，compareAndSwapInt方法就变成了一个原子操作。CAS也是一样的道理，比较、交换也是一组原子操作，不会被外部打断，先根据paramLong/paramLong1获取到内存当中当前的内存值V，在将内存值V和原值A作比较，要是相等就修改为要修改的值B，由于CAS都是硬件级别的操作，因此效率会高一些。

3 由CAS分析AtomicInteger原理

java.util.concurrent.atomic包下的原子操作类都是基于CAS实现的，下面拿AtomicInteger分析一下，首先是AtomicInteger类变量的定义：

private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
private static final long valueOffset;

static {
 try {
    valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
        (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
  } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}

private volatile int value;

关于这段代码中出现的几个成员属性：

下面找一个方法getAndIncrement来研究一下AtomicInteger是如何实现的，比如我们常用的addAndGet方法：

public final int addAndGet(int delta) {
    for (;;) {
        int current = get();
        int next = current + delta;
        if (compareAndSet(current, next))
            return next;
    }
}
 public final int get() {
  return value;
 }

这段代码如何在不加锁的情况下通过CAS实现线程安全，我们不妨考虑一下方法的执行：

整个过程中，利用CAS机制保证了对于value的修改的线程安全性。

4 CAS的缺点

CAS看起来很美，但这种操作显然无法涵盖并发下的所有场景，并且CAS从语义上来说也不是完美的，存在这样一个逻辑漏洞：如果一个变量V初次读取的时候是A值，并且在准备赋值的时候检查到它仍然是A值，那我们就能说明它的值没有被其他线程修改过了吗？

如果在这段期间它的值曾经被改成了B，然后又改回A，那CAS操作就会误认为它从来没有被修改过。这个漏洞称为CAS操作的"ABA"问题。

java.util.concurrent包为了解决这个问题，提供了一个带有标记的原子引用类 AtomicStampedReference ，它可以通过控制变量值的版本来保证CAS的正确性。

不过目前来说这个类比较"鸡肋"，大部分情况下ABA问题并不会影响程序并发的正确性，如果需要解决ABA问题，使用传统的互斥同步可能回避原子类更加高效。

总结

以上为个人经验，希望能给大家一个参考，也希望大家多多支持脚本之家。

您可能感兴趣的文章:
阅读全文