Java并发成神之路-精通JUC并发工具十八般武艺——CAS和不变性(五)

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CAS

什么是CAS

  • 应用于并发场合，是一种思想一种算法，主要用于并发编程中，实现不可被打断的数据交换操作，从而避免多线程情况下由于线程顺序执行不能缺点而引起的问题
  • 我认为V的值应该是A，如果是的话那我就把它改成B，如果不是A（说明被别人修改过了），那我就不修改了，避免多人同时修改导致出错
  • CAS有三个操作数：内存值V，预期值A，要修改的值B，当且仅当预期值A和内存值V相同时，才将内存值修改为B，否则什么都不做，最后返回现在的V值
  • CPU的特殊指令（CAS会先进行比较，然后更新，由CPU保证原子性）

    CAS的等价代码如下所示，compareAndSwap方法发是由synchronized锁来保证原子性，而对于CAS来说，是由CPU保证的

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    public class SimulatedCAS {

        private volatile int value;
        public synchronized int compareAndSwap(int expectedValue,int newValue){
            int oldValue = value;
            if (oldValue == expectedValue) {
                value = newValue;
            }
            return oldValue;
        }
    }

应用场景

  • 乐观锁
  • 并发容器
  • 原子类

分析在Java中是如何利用CAS实现原子操作的

  • AtomicInteger加载Unsafe工具，用来直接操作内存数据
  • 用Unsafe来实现底层操作
  • 用volatile修饰value字段，保证可见性
  • Unsafe类中的compareAndSwapInt方法
    • 方法中先想办法拿到变量value在内存中的地址
    • 通过Atomic::cmpxchg实现原子性的比较和替换，其中参数x是即将更新的值，参数e是原内存的值，至此，最终完成CAS的全过程

Unsafe类

  • Unsafe是CAS的核心类，Java无法直接访问底层操作系统，而是通过本地(native)方法来访问。不过尽管如此，JVM还是开了一个后门，JDK中有一个Unsafe，它提供了硬件级别的原子操作
  • valueOffset表示的是变量值在内存中的偏移地址，因为Unsafe就是根据内存偏移地址获取数据的原值的，这样我们就能通过Unsafe来实现CAS了

CAS缺点

  • ABA问题(CAS只会判断当前值是否是期待的值，并不会去判断中间是都有过更改，假设当前期待的是5，之前是5，被一个线程改成了7，然后又被一个线程改成5，此时已经被改了两次，无法判断)
  • 自旋时间过长(如果一直拿不到锁，就会一直自旋，可能会占用比较多的CPU)

以不变应万变（不可变性）

什么是不变性

  • 如果对象在被创建后，状态就不能被修改，那么它就是不可变的
  • 具有不变性的对象一定是线程安全的，我们不需要对其采取任何额外的安全措施，也能保证线程安全

final的作用

  • 类防止被继承、方法防止被重写、变量防止被修改
  • 天生是线程安全的，而不需要额外的同步开销

3中用法：修饰变量、方法、类

final修饰变量

  • 被final修饰的变量，意味着值不能被修改，如果变量是对象，那么对象的引用不能变，但是对象自身的内容依然可以变化
  • 属性被声明为final后，该变量则只能被赋值一次，且一旦被赋值，final的变量就不能再被改变，无论如何也不会变化
  • 类中的final属性
    • 第一种是在声明变量的等号右边直接赋值
    • 第二种就是构造函数中赋值
    • 第三种就是在类的初始代码块中赋值（不常用）
    • 如果不采用第一种赋值方法，那么就必须在2和3中挑一个来赋值，而不能不赋值，这是final的语法所规定的
  • 类中的static final属性
    • 第一种是在声明变量的等号右边直接赋值
    • 第二种是在static初始代码块中赋值，但是不能使用普通代码块赋值
  • 方法中final变量
    • 和前面两种不同，由于这里的变量是在方法里面的，所以没有构造函数，也不存在初始代码块
    • 不规定赋值时机，只要求在使用前必须赋值，这和方法中的非final变量的要求也是一样的

为什么要规定赋值时机

  • 如果初始化不赋值，后续赋值，就是从null变成你的赋值，这就违反了final不变原则了

final修饰方法

  • 构造方法不允许final修饰
  • 不可被重写，也就是不能被override，即便子类有同样名字的方法发，那也不是override，这个和static方法是一个道理
  • 引申：静态方法不能被重写（但是可以写重名的方法）

###final修饰类

  • 不可被继承
  • 例如典型的String类就是final的，我们从没见过那个类是继承String

注意点

  • final修饰对象的时候，只是对象的引用不变，而对象本身的属性是可以变化的
  • final使用原则：良好的编程习惯

不变性和final的关系

  • 不变性并不意味着，简单地用final修饰就是不可变
    • 对于基本数据类型，确实被final修饰后就具有不可变性
    • 但是对于对象类型，需要该对象保证自身被创建后，状态永远不会变才可以
  • 满足一下条件时，对象才是不可变的
    • 对象创建后，其状态就不能修改
    • 所有属性都是final修饰的
    • 对象创建过程中没有发发生逸出

把变量写在线程内部——栈封闭

  • 在方法里面新建的局部变量，实际上是存储在每个线程私有的栈空间，而每个栈的占用空间是不能被其他线程所访问到的，所以不会有线程安全问题，这就是著名的“栈封闭”技术，是“线程封闭”技术的一种情况
  • 方法内部的变量是不会有并发问题的（栈封闭）