【JUC并发编程】CAS原子类底层原理&&源码分析&&手写AtomicInteger&&手写Lock锁

川长思鸟来 2023-09-29 13:07 10阅读 0赞

## 一、什么是CAS ##

CAS: Compare and Swap，翻译成比较并交换。 执行函数CAS（V，E，N）  
CAS有3个操作数，内存值V，旧的预期值E，要修改的新值N。当且仅当预期值E和内存值V相同时，将内存值V修改为N，否则什么都不做。  
保证线程安全性的问题 原子性

V： 全局共享变量 原子类中 value值 ===0  
E： 旧的预期值  
N： 修改的新值  
CAS:无锁----自旋控制乐观锁  
缺点：自旋 会消耗的cpu的资源 cas 死循环 空转问题 cpu飙高  
底层基于unsafe类实现  
![在这里插入图片描述][960f4bf3eab241699d970f806ab44f8f.png]  
This === atomicInteger 对象；  
Valueoffset == 值偏移量；

// paramObject=atomicInteger 对象
    // Valueoffset ==值偏移量；
    // paramInt=1
    public final int getAndAddInt(Object paramObject, long paramLong, int paramInt) {
        
    	// 循环目的 就是为了cas的重试
        while (true) {
        
    	// paramObject=atomicInteger 对象
    	// Valueoffset == 值偏移量；
    	// 获取当前的atomicInteger  中 value值
            int i = getIntVolatile(paramObject, paramLong);==i==000
            if (compareAndSwapInt(paramObject, paramLong, i, i + paramInt))
                return i;
        }
    }

## 二、同步之原子类（Atomic类） ##

Java并发包类库  
原子类 cas

比如我们所学习的：原子类同步之原子类（Atomic类）

### 1. 原子更新基本类型类 cas ###

AtomicBoolean: 原子更新布尔类型。  
AtomicInteger: 原子更新整型。  
AtomicLong: 原子更新长整型。

### 2. 原子更新数组 ###

AtomicIntegerArray: 原子更新整型数组里的元素。  
AtomicLongArray: 原子更新长整型数组里的元素。  
AtomicReferenceArray: 原子更新引用类型数组里的元素。

### 3. 原子更新引用类型 ###

AtomicReference: 原子更新引用类型。  
AtomicReferenceFieldUpdater: 原子更新引用类型的字段。  
AtomicMarkableReferce: 原子更新带有标记位的引用类型，可以使用构造方法更新一个布尔类型的标记位和引用类型。

### 4. 原子更新字段类 ###

AtomicIntegerFieldUpdater: 原子更新整型的字段的更新器。  
AtomicLongFieldUpdater: 原子更新长整型字段的更新器。  
AtomicStampedFieldUpdater: 原子更新带有版本号的引用类型。

### 5. JDK8新增原子类 ###

DoubleAccumulator  
LongAccumulator  
DoubleAdder  
LongAdder

Java 层面 Unsafe实现

## 三、使用atomicInteger计数 ##

atomicInteger 计数能够保证线程安全问题。

public class Thread01 extends Thread {
        
        //    private static int sum = 0;
        private static AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);
    
        @Override
        public void run() {
        
            sum();
        }
    
        public void sum() {
        
            for (int i = 0; i < 10000; i++) {
        
    //            sum++;
                atomicInteger.incrementAndGet();
            }
        }
    
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        
            Thread01 t1 = new Thread01();
            Thread01 t2 = new Thread01();
            t1.start();
            t2.start();
            t1.join();
            t2.join();
            System.out.println("sum:" + atomicInteger.get());
        }
    }

## 四、使用atomicInteger底层原理 ##

atomicInteger底层基于CAS实现

public final int incrementAndGet() {
        
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
    }

Unsafe类，全限定名是sun.misc.Unsafe，从名字中我们可以看出来这个类对普通程序员来说是“危险”的，一般应用开发者不会用到这个类。  
Unsafe类是"final"的，不允许继承。且构造函数是private的

传递三个参数 【this（atomicInteger this） valueOffset（成员变量在内存中偏移量） ,1 】+1

Value=对象内存地址+内存偏移量  
CAS前置知识Unsafe  
Unsafe对象提供了非常底层的，操作内存、线程的方法，Unsafe 对象不能直接调用，只能通过反射获得 java9已经移除Unsafe

Cas底层 Unsafe类实现-----java层面  
Cas 能够保证线程安全性 数据的原子性------cpu硬件支撑

private static AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();
    
    public static void main(String[] args) throws NoSuchFieldException, IllegalAccessException {
        
        // 1.使用反射获取theUnsafe属性
        Field theUnsafe = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
        theUnsafe.setAccessible(true);
        // 2.获取到unsafe
        Unsafe unsafe = (Unsafe) theUnsafe.get(null);
        // 1.获取域的偏移地址
        long idOffset = unsafe.objectFieldOffset(Lock.class.getDeclaredField("state"));
        Lock lock = new Lock();
        boolean result = unsafe.compareAndSwapInt(lock, idOffset, 0, 1);
        System.out.println((ClassLayout.parseInstance(lock).toPrintable()));
        System.out.println(result);
    }
    
    static class Lock {
        
        int state;
    }

public final int getAndAddInt(Object paramObject, long paramLong, int paramInt) {
        
        while (true) {
        
            int i = getIntVolatile(paramObject, paramLong);
            if (compareAndSwapInt(paramObject, paramLong, i, i + paramInt))
                return i;
        }
    }

从对象的内存处开始，获得原始字节偏移量，用于存储实力对象的内存  
在这里偏移量的意思就像我们 new 一个数组，数组的地址就是数组地一个元素的地址，假如数组地址是 a，第二个元素就是a+1,其中+1就是偏移量。对应的对象的一个属性的偏移量就是其对象的地址开始增加，增加的数就是这个filed的偏移量。  
对于VALUE这个值我们知道了，他是AtomicInteger中的value属性对应的偏移量，就是对象地址+VALUE = value的地址

循环：获取当前atomicInteger 原子类的 value=0 i=0  
compareAndSwapInt(1,1,1+1);  
![在这里插入图片描述][57c6b71861b4421487913e7ed9979c3c.png]  
AtomicInteger 底层如何实现  
1.创建了一个AtomicInteger 类  
2.先定义一个 int类型value值  
3.底层都是基于unsafe类实现----

public final int incrementAndGet() {
        
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
    }
    // 参数1 this new AtomicInteger 
    // 参数2  valueOffset
    // 参数3  1
    
    public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
        
        int var5;
        do {
         
    // var5 
            var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
    //this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4)
    // var1 this new AtomicInteger 对象
    // var2 value的值 offset
    // var5---当前value值=0 （旧预期值 E）
    // var5（0） + var4（1）---当前value值+1
        } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));
    
        return var5;
    }

## 五、compareAndSet原理分析 ##

compareAndSet(e,n);  
E==V 则将N的值赋值给V；

### 1. 手写AtomicInteger ###

public class DemoAtomicInteger {
        
        // 设定v=0
        private static AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);
    
        public void incrementAndGet() {
        
    //        Integer v = atomicInteger.get();
            Integer e = atomicInteger.get();
            // 一直重试不断循环 如果cas 失败的 则一直不断重试
            for (; ; ) {
        
                if (atomicInteger.compareAndSet(e, e + 1)) {
        
                    return;
                }
            }
        }
    
        public static void main(String[] args) {
        
            DemoAtomicInteger demoAtomicInteger = new DemoAtomicInteger();
            demoAtomicInteger.incrementAndGet();
            demoAtomicInteger.incrementAndGet();
            demoAtomicInteger.incrementAndGet();
            System.out.println(atomicInteger.get());
        }
    }

### 2. 手写Lock锁 ###

Aqs+cas实现  
默认锁的状态是为=0 如果获取到锁 则锁的状态就是为1

public class DemoLock {
        
        /**
         * 默认锁的状态是为=0  如果获取到锁  则锁的状态就是为1
         */
        private AtomicInteger lockState = new AtomicInteger(0);
        private Thread cuLockThread;
    
        /**
         * 获取锁
         */
        public void lock() {
        
            for (; ; ) {
        
                if (lockState.compareAndSet(0, 1)) {
        
                    return;
                }
            }
        }
    
        /**
         * 释放锁
         */
        public void unLock() {
        
            for (; ; ) {
        
                if (lockState.compareAndSet(1, 0)) {
        
                    cuLockThread = null;
                    return;
                }
    
            }
    
        }
    
        public static void main(String[] args) {
        
            DemoLock demoLock = new DemoLock();
            System.out.println("3");
        }
    }

### 3. CAS aba的问题 ###

Cas主要检查 内存值V与旧的预值值=E是否一致，如果一致的情况下，则修改。  
这时候会存在ABA的问题：  
如果将原来的值A,改为了B，B有改为了A 发现没有发生变化，实际上已经发生了变化，所以存在Aba问题。  
解决办法：通过版本号码，对每个变量更新的版本号码做+1

解决aba问题是否大：概念产生冲突，但是不影响结果，换一种方式 通过版本号码方式。  
![在这里插入图片描述][0de785703c494cc198a21474b92d51c9.png]

### 4. AtomicMarkableReference ###

（1）第一个参数expectedReference：表示预期值。  
（2）第二个参数newReference：表示要更新的值。  
（3）第三个参数expectedStamp：表示预期的时间戳。  
（4）第四个参数newStamp：表示要更新的时间戳。

public class Test004 {
        
        // 注意：如果引用类型是Long、Integer、Short、Byte、Character一定一定要注意值的缓存区间！
        // 比如Long、Integer、Short、Byte缓存区间是在-128~127，会直接存在常量池中，而不在这个区间内对象的值则会每次都new一个对象，那么即使两个对象的值相同，CAS方法都会返回false
        // 先声明初始值，修改后的值和临时的值是为了保证使用CAS方法不会因为对象不一样而返回false
        private static final Integer INIT_NUM = 1000;
        private static final Integer UPDATE_NUM = 100;
        private static final Integer TEM_NUM = 200;
        private static AtomicStampedReference atomicStampedReference = new AtomicStampedReference(INIT_NUM, 1);
    
        public static void main(String[] args) {
        
            new Thread(new Runnable() {
        
                public void run() {
        
                    Integer value = (Integer) atomicStampedReference.getReference();
                    int stamp = atomicStampedReference.getStamp();
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : 当前值为：" + value + " 版本号为：" + stamp);
                    try {
        
                        Thread.sleep(1000);
                    } catch (InterruptedException e) {
        
                        e.printStackTrace();
                    }
                    // value 旧值 内存中的值   UPDATE_NUM 修改的值
                    if (atomicStampedReference.compareAndSet(value, UPDATE_NUM, 1, stamp + 1)) {
        
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : 当前值为：" + atomicStampedReference.getReference() + " 版本号为：" + atomicStampedReference.getStamp());
                    } else {
        
                        System.out.println("版本号不同，更新失败！");
                    }
                }
            }, "线程A").start();
    
        }
    }

## 六、CAS 优点 ##

CAS 优点： 避免用户态到内核态切换  
缺点： 非常消耗cpu的资源

[960f4bf3eab241699d970f806ab44f8f.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/960f4bf3eab241699d970f806ab44f8f.png
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