java八股文面试[多线程]——CAS同步机制

清疚 2024-03-24 23:23 20阅读 0赞

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### AtomicInteger 源码解析： ###

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
        // 设置使用Unsafe.compareAndSwapInt进行更新
        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);
            }
        }
        ...省略
        private volatile int value;
     
        //自动设置为给定值并返回旧值。
        public final int getAndSet(int newValue) {
            return unsafe.getAndSetInt(this, valueOffset, newValue);
        }
     
        //以原子方式将当前值加1并返回旧值。
        public final int getAndIncrement() {
            return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
        }
     
        //以原子方式将当前值减1并返回旧值。
        public final int getAndDecrement() {
            return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, -1);
        }
     
        //原子地将给定值添加到当前值并返回旧值。
        public final int getAndAdd(int delta) {
            return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta);
        }
        ...省略
    }

通过源码我们发现AtomicInteger的增减操作都调用了[Unsafe][] 实例的方法，下面我们对Unsafe类做介绍：

**Unsafe类**  
Unsafe 是位于 sun.misc 包下的一个类，Unsafe 提供了CAS 方法，直接通过native 方式（封装 C++代码）调用了底层的 CPU 指令 cmpxchg。  
Unsafe类，翻译为中文:危险的,Unsafe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。  
1、Unsafe 提供的 CAS 方法  
主要如下： 定义在 Unsafe 类中的三个 “比较并交换”原子方法

/*
    @param o 包含要修改的字段的对象
    @param offset 字段在对象内的偏移量
    @param expected 期望值（旧的值）
    @param update 更新值（新的值）
    @return true 更新成功 | false 更新失败
    */
    public final native boolean compareAndSwapObject(Object o, long offset, Object expected, Object update);
    public final native boolean compareAndSwapInt( Object o, long offset, int expected,int update);
    public final native boolean compareAndSwapLong( Object o, long offset, long expected, long update);

Unsafe 提供的 CAS 方法包含四个入参： 包含要修改的字段对象、字段内存位置、预期原值及  
新值。在执行 Unsafe 的 CAS 方法的时候，这些方法首先将内存位置的值与预期值（旧的值）比  
较，如果相匹配，那么处理器会自动将该内存位置的值更新为新值，并返回 true ；如果不相匹配，处理器不做任何操作，并返回 false 。

2、获取属性偏移量  
Unsafe 提供的获取字段（属性）偏移量的相关操作，主要如下：

/**
    * @param o 需要操作属性的反射 
    * @return 属性的偏移量 
    */ 
    public native long staticFieldOffset(Field field); 
    public native long objectFieldOffset(Field field);

staticFieldOffset 方法用于获取**静态属性** Field 在 Class 对象中的偏移量，在 CAS 操作静态属性时，会**用到这个偏移量**。  
objectFieldOffset 方法用于获取**非静态** Field （非静态属性）在 Object 实例中的偏移量，在 CAS 操作对象的非静态属性时，会用到这个偏移量。

3、根据属性的偏移量获取属性的最新值:

/**
    * @param o 字段所属于的对象实例
    * @param fieldOffset 字段的偏移量 
    * @return 字段的最新值
    */
    public native int getIntVolatile(Object o, long fieldOffset);

1. ABA问题。因为CAS需要在操作值的时候检查下值有没有发生变化，如果没有发生变化则更新，但是如果一个值原来是A，变成了B，又变成了A，那么使用CAS进行检查时会发现它的值没有发生变化，但是实际上却变化了。

JDK 提供了两个类 **AtomicStampedReference**、**AtomicMarkableReference** 来解决 ABA 问题。

2. 只能保证一个共享变量的原子操作。一个比较简单的规避方法为：把多个共享变量合并成一个共享变量来操作。 JDK 提供了 AtomicReference 类来保证引用对象之间的原子性，可以把多个变量放在一个 AtomicReference 实例后再进行 CAS 操作。比如有两个共享变量 i＝1、j=2，可以将二者合**并成一个对象**，然后用 CAS 来操作该合并对象的 AtomicReference 引用。

3. 循环时间长开销大。高并发下N多线程同时去操作一个变量，会造成大量线程CAS失败，然后处于自旋状态，导致严重浪费CPU资源，降低了并发性。

**解决 CAS 恶性空自旋的较为常见的方案为：**  
**分散操作热点**，使用 LongAdder 替代基础原子类 AtomicLong。  
使用**队列削峰**，将发生 CAS 争用的线程加入一个队列中排队，**降低 CAS 争用的激烈程度**。JUC 中非常重要的基础类 AQS（抽象队列同步器）就是这么做的。

知识来源：

[【23版面试突击】CAS是一种什么样的同步机制？\_哔哩哔哩\_bilibili][23_CAS_bilibili]

[Java中CAS详解\_java cas\_LiWang\_\_的博客-CSDN博客][Java_CAS_java cas_LiWang_-CSDN]

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[Unsafe]: https://so.csdn.net/so/search?q=Unsafe&spm=1001.2101.3001.7020
[23_CAS_bilibili]: https://www.bilibili.com/video/BV1M24y1z7BR?p=107&vd_source=7ec3a2ec18181a9b64c9a3246305e511
[Java_CAS_java cas_LiWang_-CSDN]: https://blog.csdn.net/lwang_IT/article/details/121638089