乐趣区

关于java:谈谈对CAS的理解

谈谈对 CAS 的了解


CAS 是 Compare and Swap(比拟并替换)的缩写,是一种并发编程中罕用的原子操作。它是一种乐观锁技术,用于解决多线程环境下的并发问题。

CAS 操作蕴含三个参数:内存地址(或变量的援用)、期望值和更新值。CAS 操作的执行过程如下:

  1. 首先,它比拟内存地址中的值与期望值是否相等。
  2. 如果相等,阐明内存中的值与期望值统一,能够进行更新操作。
  3. CAS 通过原子形式将内存中的值更新为新的值。
  4. 如果更新胜利,CAS 操作返回 true;否则,返回 false。

CAS 操作是原子的,意味着在执行期间不会被其余线程中断。因而,它能够保障在多线程环境下,对共享变量进行原子操作,防止了传统锁机制的开销。

CAS 的一个重要利用是实现无锁数据结构,例如非阻塞算法和无锁队列。它能够在不应用锁的状况下,实现线程平安的数据操作。

然而,CAS 也存在一些限度和问题。首先,CAS 操作须要在执行期间对比拟的值放弃不变,否则会导致更新失败。其次,CAS 操作在高并发环境下可能会呈现自旋重试的状况,减少了 CPU 的开销。最初,CAS 操作无奈解决 ABA 问题,即一个值被批改为其余值,而后又被批改回原来的值,这种状况下 CAS 无奈感知到两头的批改。

为了解决 CAS 的限度和问题,Java 提供了 java.util.concurrent.atomic 包,其中蕴含了一些基于 CAS 的原子类,例如 AtomicIntegerAtomicLong 等,它们提供了更高级别的原子操作,能够更不便地实现线程平安的操作。



CAS 的底层原理?


CAS(Compare and Swap)是一种并发编程中的原子操作,用于实现无锁算法。它的底层原理能够简略形容为以下几个步骤:

  1. 比拟:首先,CAS 操作会比拟共享变量的以后值与期望值是否相等。如果相等,则继续执行后续步骤;如果不相等,则示意其余线程曾经批改了共享变量,CAS 操作失败。
  2. 替换:如果比拟相等,CAS 操作会尝试将共享变量的以后值批改为新的值。这个批改操作是原子的,不会被其余线程中断。
  3. 查看后果:CAS 操作会返回批改前的旧值。开发人员能够依据返回的后果来判断 CAS 操作是否胜利。

CAS 操作的关键在于硬件提供的原子性操作指令。在古代计算机体系结构中,通常应用原子性的 CPU 指令来实现 CAS 操作。这些指令保障了比拟和替换这两个步骤的原子性,确保在多线程环境下的正确性。

须要留神的是,CAS 操作依然存在竞态条件,即多个线程同时执行 CAS 操作时可能会导致抵触。为了解决这个问题,CAS 操作通常联合循环重试的形式应用,即在 CAS 操作失败时,反复执行整个 CAS 操作过程,直到胜利为止。

总结起来,CAS 的底层原理是通过比拟共享变量的值与期望值,并在比拟相等的状况下原子地替换新值,以实现无锁的并发操作。这种原子操作的实现依赖于底层硬件提供的原子性指令。



谈谈对 UnSafe 的了解


Unsafe 是 Java 中一个十分非凡的类,它提供了一些底层的、间接操作内存和线程的办法。它位于 sun.misc 包中,是一个不稳固的、不举荐应用的类,通常状况下不应该间接应用它。

Unsafe 类中的办法能够实现一些 Java 中不容易实现的操作,如间接拜访对象的内存地址、批改对象的属性值、创立实例对象、CAS 操作等。应用 Unsafe 类可能进步程序的运行效率,但也会带来一些危险,因为它间接操作内存和线程,容易导致程序呈现不可预期的谬误和异样。

Unsafe 类的办法大多数都是 native 办法,底层调用了操作系统的底层接口,因而能够间接拜访内存。因为间接操作内存,如果使用不当会导致内存透露、空指针异样、线程平安问题等,因而须要十分小心地应用。

Unsafe 类的应用须要具备肯定的底层常识和教训,个别状况下应该防止间接应用它,而是应用高级别的 Java 并发库提供的办法来实现并发操作。如果的确须要应用 Unsafe 类,应该严格遵循它的应用标准,避免出现不可预期的问题。

总的来说,Unsafe 类提供了一些底层的、间接操作内存和线程的办法,能够实现一些 Java 中不容易实现的操作,但应用 Unsafe 类须要十分小心,应该尽可能防止间接应用它,而是应用更高级别的 Java 并发库提供的办法来实现并发操作。



CAS 的优缺点


CAS(Compare and Swap)具备以下长处和毛病:

长处:

  1. 高效性:CAS 是一种无锁操作,不须要应用传统锁机制,防止了锁带来的线程切换和上下文切换的开销,因而在并发量较高的状况下,性能通常比应用锁的形式更好。
  2. 原子性:CAS 操作是原子的,能够保障在多线程环境下对共享变量进行原子操作,防止了并发拜访导致的数据不统一问题。
  3. 无死锁:CAS 不会导致线程的死锁问题,因为它不须要获取锁。

毛病:

  1. ABA 问题:CAS 无奈解决 ABA 问题,即一个值被批改为其余值,而后又被批改回原来的值。这种状况下,CAS 无奈感知到两头的批改,可能会导致数据不统一。
  2. 自旋重试:在高并发环境下,CAS 操作可能会呈现自旋重试的状况,即屡次尝试比拟并替换操作,直到胜利为止。自旋重试会减少 CPU 的开销。
  3. 只能保障一个变量的原子操作:CAS 只能保障对单个共享变量的原子操作,对于多个共享变量的复合操作,CAS 无奈保障其原子性。
  4. 难以使用:相比传统的锁机制,CAS 的应用更加简单,须要开发人员手动编写比拟和替换的逻辑,容易出错。

只管 CAS 存在一些毛病,但在一些特定的场景下,CAS 依然是一种十分有用的并发编程技术,特地是在须要高性能和无锁操作的状况下。Java 提供了基于 CAS 的原子类,简化了 CAS 的应用,使得开发人员可能更不便地实现线程平安的操作。



针对 CAS 的这些毛病,有什么好的解决方案


针对 CAS 的一些毛病,能够采取以下解决方案:

  1. ABA 问题:为了解决 ABA 问题,能够应用版本号或标记来追踪变量的批改历史。在进行 CAS 操作时,除了比拟值是否相等,还须要比拟版本号或标记是否统一。这样能够防止在两头产生了其余批改的状况下误判 CAS 操作的胜利与否。
  2. 自旋重试的开销:为了缩小自旋重试的开销,能够采纳一些优化策略。例如,能够在自旋重试时引入适当的提早,防止过于频繁地进行 CAS 操作。另外,能够设置自旋重试的次数下限,超过次数后转为应用其余机制,如锁。
  3. 复合操作的原子性:对于多个共享变量的复合操作,CAS 无奈保障其原子性。针对这种状况,能够应用更高级别的并发原语,如锁或并发容器,来保障复合操作的原子性。
  4. 应用更高级别的工具:为了简化 CAS 的应用并缩小谬误,能够应用更高级别的工具和框架,如基于 CAS 的原子类(如 AtomicIntegerAtomicReference)或并发容器(如 ConcurrentHashMapConcurrentLinkedQueue)。这些工具封装了底层的 CAS 操作,提供了更简略和平安的接口。

总的来说,解决 CAS 的毛病须要依据具体情况采取不同的策略。在理论利用中,须要综合思考并发性能、数据一致性和代码复杂性等因素,抉择适宜的解决方案。



CAS 的原子类 AtomicInteger、AtomicReference 如何应用?


CAS(Compare and Swap)是一种并发编程中罕用的原子操作,用于实现多线程环境下的线程安全性。Java 提供了一系列的原子类,其中包含 AtomicInteger 和 AtomicReference。

AtomicInteger 是一个用于原子操作整型变量的类,它提供了一组原子操作方法,如 get()、set()、getAndSet()、incrementAndGet()、decrementAndGet() 等。这些办法可能保障在多线程环境下对整型变量的操作是原子的,不会呈现竞态条件(Race Condition)。

上面是应用 AtomicInteger 的示例代码:

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class AtomicExample {private static AtomicInteger counter = new AtomicInteger(0);

    public static void main(String[] args) {
        // 减少计数器的值
        counter.incrementAndGet();

        // 获取计数器的以后值
        int currentValue = counter.get();
        System.out.println("Current value:" + currentValue);

        // 设置计数器的值
        counter.set(10);

        // 获取并设置计数器的值
        int oldValue = counter.getAndSet(5);
        System.out.println("Old value:" + oldValue);
        System.out.println("New value:" + counter.get());
    }
}

AtomicReference 是一个用于原子操作援用类型变量的类,它提供了一组原子操作方法,如 get()、set()、getAndSet() 等。这些办法可能保障在多线程环境下对援用类型变量的操作是原子的。

上面是应用 AtomicReference 的示例代码:

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;

public class AtomicExample {private static AtomicReference<String> reference = new AtomicReference<>("Hello");

    public static void main(String[] args) {
        // 获取援用的以后值
        String currentValue = reference.get();
        System.out.println("Current value:" + currentValue);

        // 设置援用的值
        reference.set("World");

        // 获取并设置援用的值
        String oldValue = reference.getAndSet("New Value");
        System.out.println("Old value:" + oldValue);
        System.out.println("New value:" + reference.get());
    }
}

以上示例代码展现了如何应用 AtomicInteger 和 AtomicReference 进行原子操作。通过调用原子类提供的办法,能够实现对变量的原子操作,从而保障在多线程环境下的线程安全性。

退出移动版