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💠 2024-09-24 16:47:51


CAS, Unsafe和原子类详解

UnSafe

Unsafe类使Java语言拥有了类似C语言指针一样操作内存空间的能力, 也随之带来了指针相关问题的风险。


CAS

CAS的全称为Compare-And-Swap,直译就是对比后交换,是一条CPU的原子指令。
其作用是让CPU先进行比较两个值是否相等,然后原子地更新某个位置的值,其实现方式是基于硬件平台的汇编指令,JVM只是封装了汇编调用,这便是原子类的核心基础。
CAS方式为乐观锁,synchronized 为悲观锁。

ABA问题 如果一个值原来是A,变成了B,又变成了A,那么使用CAS操作时会直接执行Swap。

解决思路:

  1. 可以加版本号, 1A->2B->3A
  2. Java 1.5开始,JDK的Atomic包里提供了一个类 AtomicStampedReference 来解决ABA问题, compare值时并比较对象内存引用

竞争高时CPU高负载 当并发激烈时 compare操作 大部分情况会失败,无休止的循环将导致CPU使用率飙升。类似的,Disruptor队列核心使用CAS,也有这个问题

如果JVM能支持处理器提供的pause指令,那么效率会有一定的提升,但是目前JVM无法避免该问题。pause指令有两个作用:
第一,它可以延迟流水线执行命令(de-pipeline),使CPU不会消耗过多的执行资源,延迟的时间取决于具体实现的版本,在一些处理器上延迟时间是零;
第二,它可以避免在退出循环的时候因内存顺序冲突(Memory Order Violation)而引起CPU流水线被清空(CPU Pipeline Flush),从而提高CPU的执行效率。

只能保证一个共享变量的原子操作

解决思路:从Java 1.5开始,JDK提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性,就可以把多个变量打包为一个对象 来进行CAS操作。


原子类

java.util.concurrent.atomic 提供适当的原子方法 避免在共享数据上出现竞争危害的方法
使用Java自带的原子类, 可以避免同步锁带来的并发访问性能降低的问题, 减少犯错的机会. 对于 int, long, boolean 等成员变量大量使用原子类

但是使用者必须通过类似 compareAndSet或者set或者与这些操作等价的原子操作来保证更新的原子性.

  • 常见的操作系统的支持, 他们是非阻塞的(无需线程锁), 常见的方法是实现序列号机制(和数据库里的序列号机制类似),在AtomicIntegerAtomicLong上用原子
    • 操作getAndIncrement()方法, 并且提供了nextId 方法得到唯一的完全增长的数值
  • 注意: 原子类不是相似的类继承而来,所以 AtomicBoolean不能当Boolean用