详解 volatile关键字 与 CAS算法

其他 2020-03-05 11:17:31 阅读次数: 0

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（请观看本人博文 —— 《详解 多线程》）

在讲解本篇博文的知识点之前，本人先来给出一个例子：

package edu.youzg.about_synchronized.core;

public class Test {

    public static void main(String[] args) {
        TestRunnable myRunnable = new TestRunnable();
        new Thread(myRunnable).start();
        while (true){
            if (TestRunnable.getFlag()) {
                System.out.println("进来了");
                break;
            }
        }
    }
}

class TestRunnable implements Runnable{
    static boolean flag = false;
    public static boolean getFlag() {
        return flag;
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            Thread.sleep(10);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        flag=true;
        System.out.println("flag的值是" + getFlag());
    }
}

那么，现在本人来展示下运行结果：
在这里插入图片描述
可以看到，在上图中出现了这样的错误：
程序一直在运行！
那么，我们不是已经在run()中把flag设置为true了吗，我们让线程跑起来之后，再调用getFlag()方法，理应返回的是true啊。
但是，运行结果明显表明：返回的是false。
这是为什么呢？

对于上述问题，我们有一个专门的称呼 —— 内存可见性问题

那么，现在，本人就来讲解下 内存可见性问题：

内存可见性问题

首先，本人来讲解下内存模型：

内存模型：

Java内存模型规定了 ：
所有的 变量 都存储在 主内存中；
而 每条线程中还有自己的工作内存。
线程的工作内存中保存了被该线程所使用到的变量
（这些变量是从主内存中拷贝而来）。
线程对变量的所有操作（读取，赋值）都必须在工作内存中进行。
不同线程之间也无法直接访问对方工作内存中的变量，
线程间变量值的传递均需要通过主内存来完成。

而对于上面出现的问题，本人来通过几张图来展示下原因：

首先，每个线程都会有一个独立的工作线程。
假设子线程先读入了主存中的flag值，并将工作内存中的flag改为了true：
在这里插入图片描述
这时，主线程竞争到了CPU，读入了主存中的flag的值：
在这里插入图片描述
这时，不论再竞争多少轮，只要子线程竞争到CPU，就会把工作线程中的flag的值返给主存：
在这里插入图片描述
但是，由于这时的主线程在循环中，循环的运行速度非常快，就导致主线程无暇去主存中读入新的flag的值，进而导致循环一直在进行，并且主线程的工作线程中的flag一直都是false，所以就一直循环，导致程序无法结束！

其实，对于以上问题，我们用之前博文所讲的“synchronized锁”的知识，也完全可以去解决这个问题：
本人现在来展示下加锁解决的代码：

package edu.youzg.about_synchronized.core;

public class Test {

    public static void main(String[] args) {
        TestRunnable myRunnable = new TestRunnable();
        new Thread(myRunnable).start();
        while (true){
            synchronized (myRunnable) {
                if (TestRunnable.getFlag()) {
                    System.out.println("进来了");
                    break;
                }
            }
        }
    }
}

class TestRunnable implements Runnable{
    static boolean flag = false;
    public static boolean getFlag() {
        return flag;
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            Thread.sleep(10);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        flag=true;
        System.out.println("flag的值是" + getFlag());
    }
}

那么，本人再来展示下运行结果：
在这里插入图片描述
但是，本人之前说过，加锁有一个极大的缺点 —— 会降低运行效率
本人上图展示的仅是一个子线程和一个主线程.
那么，若是我们将来所做的app，同时去处理成百上千的线程呢？
产生的结果想想就觉得可怕... ...

那么，有没有办法能够 既解决内存可见性问题，又不会降低运行效率呢？
针对这种需求，Java有一种自己的解决办法 —— volatile关键字：

volatile关键字

概述：

当多个线程进行操作共享数据时，可以保证内存中的数据可见
相较于 synchronized 是一种较为轻量级的同步策略
也可以将volatile看作是一个轻量级锁

那么，对于上述解释，相信有的同学已经搞不懂了
那么，本人再来讲解 volatile关键字和 synchronized锁 的区别:

区别：

volatile 对于多线程，不是一种互斥关系
volatile 不能保证变量状态的“原子性操作”

那么，现在，本人来展示下用 volatile关键字 来解决上述问题：

package edu.youzg.about_synchronized.core;

public class Test {

    public static void main(String[] args) {
        TestRunnable myRunnable = new TestRunnable();
        new Thread(myRunnable).start();
        while (true){
            if (myRunnable.getFlag()) {
                System.out.println("进来了");
                break;
            }
        }

    }
}



class TestRunnable implements Runnable{
    volatile boolean flag=false;
    public boolean getFlag() {
        return flag;
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            Thread.sleep(10);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        flag=true;
        System.out.println("flag的值是"+getFlag());
    }
}

本人再来展示下运行结果：
在这里插入图片描述

现在，本人再来给出一个有问题的代码：

package edu.youzg.about_synchronized.core;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class Test {

    public static void main(String[] args) {
        IRunnable iRunnable = new IRunnable();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(iRunnable).start();
        }
    }
}

class IRunnable implements Runnable{
    static int i = 0;

    @Override
    public void run() {
        while (true){
            try {
                Thread.sleep(200);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + i++);
        }
    }
}

由于本人设置的是死循环，所以展示运行中的一个片段：
在这里插入图片描述
可以看到，本人设置的static（静态）的变量的值，明明每次执行的是i++操作，却有相同的输出结果，这是为什么呢？

相信看过本人之前博文的同学已经知道了：
由于i++不是原子型操作，所以就会出现一个线程对i的 读、改、写三步操作还未完成，就被另一个线程占据了CPU执行权，就导致了这种现象的出现。

本人在之前的博文中，对于这种问题的解决，用的是 “synchronized 锁”的知识点：
但是， “synchronized 锁”会使得程序的效率大大降低，
所以，针对这种 原子性问题，Java也同样有一种解决方案 —— CAS算法：

CAS算法：

概述：

CAS (Compare-And-Swap，即：比较并交换) 是一种硬件对并发的支持，
针对多处理器操作而设计的处理器中的一种特殊指令，
用于管理对共享数据的并发访问

实现原理：

CAS是一种无锁算法
CAS有3个操作数：内存值V，旧的预期值A，要修改的新值B。
当且仅当预期值A和内存值V相同时，将内存值V修改为B，
否则什么都不做。

CAS算法的伪代码可以表示为：
do {
备份旧数据；
基于旧数据构造新数据；
} while (!CAS( 内存地址，备份的旧数据，新数据 ))

本人再来用几张图片来展示下这个算法的基本原理：
首先，假设线程1争取到了CPU：
在这里插入图片描述
然后，假设线程2 争取到了CPU：
在这里插入图片描述
这时，又轮到了线程1争取到了CPU，线程1发现A1和V值相同，于是将B1的值传回给主存，将V的值改为value2：
在这里插入图片描述
假设现在，线程2 又抢到了CPU的运行权，它发现A2和V 不一样，于是放弃了写入的操作，并将之前的A2、B2全部清空：
在这里插入图片描述

以上，就是CAS算法的基本流程，至于怎么实现，本人拿它的实现类来展示下相关代码：
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

现在，本人再来说明一点：

jdk5增加了并发包java.util.concurrent.*,
其下面的类使用CAS算法实现了区别于synchronouse同步锁的一种乐观锁。
JDK 5之前Java语言是靠synchronized关键字保证同步的，这是一种独占锁，也是是悲观锁。

缺点：

  1. 对资源的开销大
  2. 只能保证 变量的原子性 而不能保证 代码块的原子性

运用CAS算法实现的 原子操作的常用类：

AtomicBoolean 、 AtomicInteger 、 AtomicLong 、 AtomicReference
AtomicIntegerArray 、 AtomicLongArray
AtomicMarkableReference
AtomicReferenceArray
---
那么，本人就拿 AtomicInteger来解决下上面的问题：

package edu.youzg.about_synchronized.core;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class Test {

    public static void main(String[] args) {
        //CAS 算法：比较并交换
        //是一种硬件支持
        IRunnable iRunnable = new IRunnable();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(iRunnable).start();
        }
    }
}

class IRunnable implements Runnable{
    // int i=0;
    //把普通变量换成原子变量，
    AtomicInteger num=new AtomicInteger(1);
    @Override
    public void run() {
        while (true){
            try {
                Thread.sleep(200);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + num.getAndIncrement());
        }
    }
}

本人还是来截取一段运行结果来展示：
在这里插入图片描述
可以看到，并没有出现重复值的问题！

那么，说到 CAS算法，本人就不得不为同学们来扩展下知识点了：

扩展 —— 乐观锁 与 悲观锁：

悲观锁：

概述：

总是假设最坏的情况。
每次去拿数据的时候都认为别人会修改，
所以每次在拿数据的时候都会上锁，
这样别人想拿这个数据就会 阻塞 直到别人拿到锁。

举例：

Java里面的同步原语 synchronized 关键字的实现就是悲观锁

优点：

  • 充分保证线程安全性

缺点：

  • 降低运行效率

乐观锁：

概述：

总是假设最好的情况。
每次去拿数据的时候都认为别人不会修改，
所以不会上锁，
但是在更新时会 判断一下在此期间别人有没有去更新这个数据 (可以使用版本号等机制)

举例：

乐观锁适用于 多读 的应用类型，这样可以提高吞吐量，
像数据库提供的类似于 write_condition 机制，其实都是提供的乐观锁。
在 Java 中 java.util.concurrent.atomic 包下面的原子变量类就是使用了乐观锁的一种实现方式 —— CAS算法 实现的

优点：

  • 非阻塞，效率高

缺点：

  • 会造成大量开销

（本人 《详解 多线程》 博文 链接：https:////www.cnblogs.com/codderYouzg/p/12418935.html）

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转载自www.cnblogs.com/codderYouzg/p/12418977.html
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