【多线程】CAS的应用 | CAS的概念 | 实现原子类 | 实现自旋锁

本文主要是介绍【多线程】CAS的应用 | CAS的概念 | 实现原子类 | 实现自旋锁，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

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一、CAS

1.什么是CAS

Compare and swap 比较并交换。

比较交换的是 内存 和 寄存器

比如此时有一个内存 : M。 还有两个寄存器A,B

​ CAS ( M , A , B ) :如果M和A的值相同的话，就把M和B的值进行交换(交换的目的是为了把B赋值给M,M = B)，同时整个操作返回 true。如果M和A的值不同的话，无事发生，同时整个操作返回false。

//伪代码：
boolean CAS(address, expectValue, swapValue) {if (&address == expectedValue) {&address = swapValue;return true;}return false;
}

• CAS其实是一个CPU指令，一个CPU指令，就可以完成上述比较交换的逻辑。
• 单个的CPU指令是原子的。所以可以使用CAS来完成一些操作来代替“加锁”。为编写线程安全的代码提供了线的思路，基于CAS实现线程安全的方式，也叫“无锁编程”。

优点：保证线程安全，同时避免发生阻塞。

缺点：代码可读性差，并且只能适用在特定场景，不如加锁普适。

​ CAS本质上是CPU提供的指令，被操作系统封装后，提供成为APi。又再次被JVM进行封装，提供成API,最终由程序员调用方法实现操作。

2.实现原子类

之前int count++的操作，就不是原子的（load,add,save）

在Java标准库中，提供了原子类，例如AtomicInteger,基于CAS的方式对int进行封装，++就封装成原子操作了。

    public static AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);//对int进行原子化包装//0作为构造方法的参数public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Thread t1 = new Thread(()->{for (int i = 0; i < 50000; i++) {count.getAndIncrement();//count++; 后置++
//                count.incrementAndGet();//++count  前置++
//                count.getAndDecrement();//count--; 后置--；
//                count.decrementAndGet();//--count 前置--}});Thread t2 = new Thread(()->{for (int i = 0; i < 50000; i++) {count.getAndIncrement();}});t1.start();t2.start();t1.join();t2.join();System.out.println(count);}

在Java中，有些操作是偏底层的操作，在使用时有着更多的注意事项，稍有不慎就容易写出问题。这些操作就同一放在unsafe这个类中

//伪代码
class AtomicInteger {private int value;//相当于内存public int getAndIncrement() {int oldValue = value;//oldValue相当于寄存器    while ( CAS(value, oldValue, oldValue+1) != true) {//CAS(内存，寄存器A,寄存器B)oldValue = value;}return oldValue;}
}

寄存器A先保存当前内存的值，CAS来判断此时有没有被穿插执行。如果没有穿插执行，内存的值等于寄存器A的值，把寄存器B（B执行+1操作）的值赋值给内存，同时CAS返回的是true,循环不成立，返回是是自增前的值。

如果被穿插执行了，CAS中，内存的值不等于寄存器A的值，CAS直接返回false.此时循环成立，将被穿插执行过的内存值，重新赋值给寄存器A,也就是说要再读一遍内存。再次执行CAS。

线程不安全的本质是进行操作的过程中，穿插执行。

1.加锁是通过阻塞的方式，避免穿插。

2.CAS是通过重试的方式，避免穿插。如果值和之前不相等了，重新更新一下，在进行操作。

3.实现自旋锁

//伪代码：
public class SpinLock {private Thread owner = null;//记录当前这个锁被哪个线程获取到。 null表示未加锁public void lock(){//加锁// 通过 CAS 看当前锁是否被某个线程持有. // 如果这个锁已经被别的线程持有, 那么就自旋等待. // 如果这个锁没有被别的线程持有, 那么就把 owner 设为当前尝试加锁的线程. while(!CAS(this.owner, null, Thread.currentThread())){}}public void unlock (){//解锁this.owner = null;}
}

• while循环中，CAS判断当前owner是不是未加锁状态。如果是未加锁的，就把owner赋值成 Thread.currentThread())（调用lock方法的线程引用）进行加锁。如果已经被加锁了，CAS返回false,取反之后，while就会反复执行。一旦其他线程释放了这个锁，owner变成null时，因为while不停循环，就会立即拿到当前这把锁。

缺点：while循环在忙等的过程中，不断消耗CPU资源。如果加锁的概率不大，付出的CPU资源就是值得的。如果当前的锁冲突很激烈，可能会拿不到，此时自旋锁就不适用了。

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