当前位置:

首页 > 编程开发 > CAS与Java中的乐观锁的应用方法

CAS与Java中的乐观锁的应用方法

什么是CASCAS是CompareAndSwap,即比较和交换。为什么CAS没有用到锁还能保证并发情况下安全的操作数据呢,名字其实非常直观的表明了CAS的原理,具体修改数据过程如下:用CAS操作数据时,将数据原始值和要修改的值一并传递给方法比较当前目标变量值与传进去的原始值是否相同如果相同,表示目标变量没有被其他线程修改,直接修改目标变量值即可如果目标变量值与原始值不同,那么证明目标变量已经被其他线程修改过,本次CAS修改失败从上述过程可以看到CAS其实保证的是安全的修改数据,但是修改存在失败的可能性,即

什么是CAS

CAS是CompareAndSwap,即比较和交换。为什么CAS没有用到锁还能保证并发情况下安全的操作数据呢,名字其实非常直观的表明了CAS的原理,具体修改数据过程如下:

  1. 用CAS操作数据时,将数据原始值和要修改的值一并传递给方法

  2. 比较当前目标变量值与传进去的原始值是否相同

  3. 如果相同,表示目标变量没有被其他线程修改,直接修改目标变量值即可

  4. 如果目标变量值与原始值不同,那么证明目标变量已经被其他线程修改过,本次CAS修改失败

从上述过程可以看到CAS其实保证的是安全的修改数据,但是修改存在失败的可能性,即目标变量数据修改不成功,这个时候我们要循环判断CAS修改数据结果,如果失败进行重试。

思维比较缜密的同学可能担心CAS本身这个比较与替换的操作产生并发安全问题,实际应用中这种情况不会发生,比较与替换由JDK借助硬件级别的CAS原语来保证比较替换是一个原子性动作。

CAS实现无锁编程

无锁编程指的是在不使用锁的情况下保证安全的操作共享变量在并发编程中,我们用各种锁来保证共享变量的安全性。即在保证一个线程未操作完共享变量的时候其他线程不能操作同一共享变量。
正确的使用锁可以保证并发情况下数据安全,但是在并发程度不高,竞争不激烈的时候,获取锁和释放锁就成了没必要的性能浪费。这种情况下可以可考虑利用CAS保证数据安全,实现无锁编程 

头疼的ABA问题

上面我们已经了解了CAS保证安全操作共享变量的原理,但是上述CAS操作还存在缺陷。假设当前线程访问的共享变量值为A,在线程1访问共享变量过程中,线程2操作共享变量将其赋值为B,线程2处理完自己的逻辑后又将共享变量赋值为A。这时线程1比较共享变量值A与原始值A相同,误以为没有其他线程操作共享变量,直接返回操作成功。这就是ABA问题。虽然大部分业务不需要关心共享变量是否有过其他更改,只要原始值与当前值一致就能得到正确的结果,但是有一些敏感场景不光要考虑共享变量结果上等同于没有被修改过,同时也不能接受共享变量过程上被其他线程修改过。幸运的是ABA问题也有成熟的解决方案,我们为共享变量添加一个版本号,每当共享变量被修改这个版本号值就会自增。在CAS操作中我们比较的不是原始变量值,而是共享变量的版本号。每次操作共享变量更新的版本号都是唯一的,所以能够避免ABA问题。 

具体应用场景 

JDK中的CAS应用

首先多个线程对普通变量进行并发操作是不安全的,一个线程的操作结果可能被其他线程覆盖掉,比如现在我们用两个线程,每个线程将初始值为1的共享变量增加一,如果没有同步机制的话共享变量结果很可能小于3。即可能线程1和线程2都读到了初始值1,线程1将其赋值为2,线程2所在内存读取到的值还是1不会变,线程2也将变量增加1然后赋值成2,这样最终结果是2小于预期结果3。自增操作不是原子性操作导致了这个共享变量操作不安全问题。为了解决这个问题,JDK提供了一系列原子类提供相应的原子操作。下面是AtomicInteger中的getAndIncrement方法源码,让我们从源码来看是怎么利用CAS实现线程安全的原子性的整形变量相加操作。

/**
* 原子性的将当前值增加1
*
* @return 返回自增前的值
*/
public final int getAndIncrement() {
   return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
}
 

可以看到getAndIncrement实际调用了UnSafe类的getAndAddInt方法实现原子操作,下面是getAndAddInt源代码

/**
* 原子的将给定值与目标字变量相加并重新赋值给目标变量
*
* @param o 要更新的变量所在的对象
* @param offset 变量字段的内存偏移值
* @param delta 要增加的数字值
* @return 更改前的原始值
* @since 1.8
*/
public final int getAndAddInt(Object o, long offset, int delta) {
   int v;
   do {
    // 获取当前目标目标变量值
       v = getIntVolatile(o, offset);
   // 这句代码是关键, 自旋保证相加操作一定成功
   // 如果不成功继续运行上一句代码, 获取被其他
   // 线程抢先修改的变量值, 在新值基础上尝试相加
   // 操作, 保证了相加操作的原子性
   } while (!compareAndSwapInt(o, offset, v, v + delta));
   return v;
}
 

我们都对锁很熟悉, 比如可重入锁ReentrantLock, JDK提供的各种锁基本都依赖AbstractQueuedSynchronizer这个类, 当多个线程尝试获取锁时会进入一个队列等待, 其中多线程入队操作的原子性就是用CAS来保证的. 源代码如下:

/**
* 锁底层等待获取锁的线程入队操作
* @param node 要入队的线程节点
* @return 入队节点的前驱节点
*/
private Node enq(final Node node) {
// 自旋等待节点入队, 通过cas保证并发情况下node安全正确入队
   for (;;) {
       Node t = tail;
       // head为空时构造dummy node初始化head和tail
       if (t == null) {
           if (compareAndSetHead(new Node()))
               tail = head;
       } else {
           node.prev = t;
           // 如果cas设置tail失败了
           // 下个循环取到了最新的其他线程抢先设置的tail
           // 继续尝试设置.
           if (compareAndSetTail(t, node)) {
               t.next = node;
               return t;
           }
       }
   }
}
/**
* 原子性的设置tail尾节点为新入队的节点
*/
private final boolean compareAndSetTail(Node expect, Node update) {
// 可以看到此处又是调用了Unsafe类下的原子操作方法
// 如果目标字段(tail尾节点字段)当前值是预期值
// 即没有被其他线程抢先修改成功, 那么就设置成功
// 返回true
   return unsafe.compareAndSwapObject(this, tailOffset, expect, update);
}
   

企业开发中的乐观锁应用

除了JDK中Uusafe类提供的各种原子性操作外,我们实际开发中可以用CAS思想保证并发情况下安全的操作数据库。假设有user表结构以及数据如下, version字段是实现乐观锁的关键

idusercoupon_numversion
1朱小明00

假设我们有一个用户领取优惠券的按钮,怎么防止用户快速点击按钮造成重复领取优惠券的情况呢。我们要安全的更改id为1的用户的coupon_num优惠券数量,将version字段作为CAS比较的版本号,即可避免重复增加优惠券数量,比较和替换这个逻辑通过WHERE条件来实现. 涉及sql如下:

UPDATE user 
SET coupon_num = coupon_num + 1, version = version + 1
WHERE version = 0

可以看到,我们查询出id为1的数据, 版本号为0,修改数据的同时把当前版本号当做条件即可实现安全修改,如果修改失败,证明已经被其他线程修改过,然后看具体业务决定是否需要自旋尝试再次修改。这里要注意考虑竞争激烈的情况下多个线程自旋导致过度的性能消耗,根据并发量选择适合自己业务的方式

本文内容来源于互联网,如有侵权请联系删除。
作者最新文章
编程开发
相关文章 更多
C++动态数组初始化怎么写?常用语句与代码示例
C++动态数组初始化怎么写?常用语句与代码示例

深入解析C++中动态数组的初始化机制,涵盖new操作符的不同用法、基本类型与类对象的初始化差异,以及为何在现代C++开发中应优先使用std::vector。

谷歌浏览器Mac版入口
谷歌浏览器Mac版入口

谷歌浏览器Mac版官方安装指南 谷歌浏览器Mac版官方安装入口是https://www.google.com/chrome/,需macOS 12+系统、500MB空间,下载.dmg后拖入应用程序安装,支持多设备同步、性能优化与隐私保护功能。 苹果电脑Chrome的安装入口究竟在哪里?这个问题最近可是

Chrome浏览器JS脚本不运行怎么办
Chrome浏览器JS脚本不运行怎么办

Chrome中JavaScript未执行需依次检查:一、移除站点级禁用并添加允许域名;二、开启全局JavaScript开关;三、禁用干扰扩展;四、在开发者工具中启用JavaScript;五、重置内容设置为默认。 有时在Chrome里打开网页,会发现交互按钮点了没反应,数据加载不出来,页面仿佛“静止”

IE浏览器怀旧版在线网址
IE浏览器怀旧版在线网址

IE浏览器怀旧版在线网址:一次精准的技术时光回溯 最近,不少老用户和怀旧爱好者在反复搜索一个问题:那个经典的Internet Explorer,如今还能在哪里原汁原味地体验到?答案指向一个特定的地址:https://ie.microsoft.com/legacy/。 这个网站远不止是一个简单的“皮肤

火狐浏览器有哪些设置功能
火狐浏览器有哪些设置功能

火狐浏览器五大核心设置功能:解锁高效、安全与个性化体验 火狐浏览器功能强大,但如果不仔细挖掘,很多能大幅提升效率和安全性的设置可能就“藏着掖着”了。这就好比拥有一台高性能设备,却只用了基础模式。那么,如何把它调整到最顺手、最安全的状态?接下来,我们就聚焦于当前版本(截至2025年末)最关键的五大设置

chrome搜索免验证入口
chrome搜索免验证入口

Chrome官方免验证入口为https://www.google.cn/chrome/,提供全平台安装包、免登录即用、本地化安全机制及引擎级性能优化。 到底该去哪里找正版、免费且无需繁琐验证的Chrome浏览器入口?这个问题困扰了不少网友。今天,我们就来直通核心,为大家详细拆解Chrome引擎的官方

java heap space 选型思路:使用场景与区别整理
java heap space 选型思路:使用场景与区别整理

Java堆是JVM存储对象的核心内存区域,配置需结合场景:单体应用适中设置;大数据处理需大堆并关注GC停顿;微服务强调快速启动;高并发需精细划分堆区域。关键参数-Xms和-Xmx建议等值以稳定性能。垃圾回收器选择影响效率,如G1适用于大堆,ZGC可实现低停顿。内存错误时需监控堆状态。

java heap space 使用中遇到的问题怎么解决
java heap space 使用中遇到的问题怎么解决

Java堆内存溢出错误通常因内存泄漏、数据处理需求过大或JVM参数配置不当引起。排查时可借助jmap、堆转储及MAT等工具定位问题。解决方案包括调整JVM内存参数(如-Xmx)、修复代码中的内存泄漏、优化大数据处理逻辑,并建立持续监控与预防机制,以保障应用稳定运行。

java xml 选型思路:使用场景与区别整理
java xml 选型思路:使用场景与区别整理

XML在Java开发中用于配置、数据交换等场景。解析方式主要有DOM、SAX、StAX及第三方库。DOM适合操作小文件,SAX/StAX适合处理大文件流,JAXB用于对象与XML映射。选型需结合数据大小、内存、性能及团队熟悉度,现代框架常封装底层解析。

using namespace 使用中遇到的问题怎么解决
using namespace 使用中遇到的问题怎么解决

命名空间的基本概念与常见引入问题在C++等编程语言中,命名空间(namespace)是一种将代码标识符(如变量、函数、类名)封装在特定名称下的机制,其主要目的是避免命名冲突,尤其是在大型项目或使用多个第三方库时。使用“using namespace”指令可以将指定命名空间中的所有名称引入当前作用域,

查看更多
精品专题 更多
装机必备
装机必备

正软商城装机必备专区,精选办公、浏览器、安全防护、影音播放、压缩解压、设计创作和系统工具等电脑常用正版软件,帮助用户快速完成新电脑软件配置。

Windows
Windows

正软商城Windows软件专区,汇集适用于Windows电脑的办公、设计、安全防护、影音播放、开发工具和系统优化软件,提供软件介绍、系统要求、正版授权及购买下载服务。

macOS软件
macOS软件

正软商城macOS软件专区,精选适用于Mac电脑的办公、设计、影音、效率、开发和系统工具,提供软件功能介绍、macOS兼容版本、正版授权及购买下载服务。

Mac软件 更多
灵活计算器
灵活计算器
macOS/iOS/Android

灵活计算器是一款笔记式算数应用,支持实时计算、动态关联和云端同步功能。记录、整理和输出之间的过渡会更自然,适合长期写作、做笔记或持续沉淀个人内容。

赤友清理大师
赤友清理大师
macOS

赤友清理大师是一款为 Mac 设计的智能清理优化工具,可精准扫描垃圾、大文件、重复文件等,释放磁盘空间。做扫描整理、文字提取和表格转换时,它能把识别后的处理步骤接得更顺,资料录入这类场景会省下不少时间。

极度公式
极度公式
Windows/macOS/Linux

极度公式是一款跨平台专业LaTeX公式识别编辑软件,支持OCR公式识别和多平台编辑。和使用说明,避免使用,享受完整功能与稳定支持。做扫描整理、文字提取和表格转换时,它能把识别后的处理步骤接得更顺,资料录入这类场景会省下不少时间。

WINDOWS 更多
Windows 10
Windows 10
Windows

Windows 10 是一款微软推出的经典操作系统,拥有硬件兼容性与多任务处理能力。它更偏向把系统状态查看和常用调节动作放在一起,适合需要持续观察和微调设备状态的场景。

极度公式
极度公式
Windows/macOS/Linux

极度公式是一款跨平台专业LaTeX公式识别编辑软件,支持OCR公式识别和多平台编辑。和使用说明,避免使用,享受完整功能与稳定支持。做扫描整理、文字提取和表格转换时,它能把识别后的处理步骤接得更顺,资料录入这类场景会省下不少时间。

密码键盘
密码键盘
Windows/macOS/iOS/Android

密码键盘是一款兼具安全性与便捷性的高效密码管理器。日常使用里的持续防护和信息管理会更突出,适合把安全控制放进长期使用流程中的场景。