Java【多线程】（8）CAS与JUC组件

目录

1.前言

2.正文

2.1CAS概念

2.2CAS两种用途

2.2.1实现原子类

2.2.2实现自旋锁

2.3缺陷：ABA问题

2.4JUC组件

2.4.1Callable接口

2.4.2ReentrantLock（与synchronized对比）

2.4.3Semaphore信号量

2.4.4CountDownLatch

3.小结

1.前言

哈喽大家好吖，不知不觉多线程这一块大骨头终于快要啃完了，今天给大家分享的是CAS以及JUC相关组件，那么废话不多说让我们开始吧。

2.正文

2.1CAS概念

核心思想：无所并发控制

CAS（Compare And Swap）是一种基于乐观锁的无锁并发控制技术。其核心逻辑可以概括为：“我认为当前值应该是A，如果是，则更新为B；否则放弃或重试”。整个过程由硬件保证原子性，无需传统锁机制。

通俗来说
假设你和同事协同编辑一份共享文档，每次保存时系统会检查：

  1. 当前内容是否和你打开时的版本一致（预期值比对）。

  2. 如果一致，允许保存；否则提示“内容已变更，请重新编辑”。
    这个过程就是CAS的核心思想——乐观锁：先操作，冲突时重试，而非直接加锁阻塞。

CAS操作的伪代码可以拆解为以下步骤，帮助理解其原子性本质：

// 伪代码：CAS操作的逻辑分解
public boolean compareAndSwap(MemoryAddress addr, int expectedValue, int newValue) {// 1. 读取内存当前值int currentValue = *addr; // 2. 比较当前值与预期值if (currentValue != expectedValue) {return false; // 值已被其他线程修改，操作失败}// 3. 若值未变，执行原子性更新*addr = newValue;return true;
}

2.2CAS两种用途

2.2.1实现原子类

针对原子类，++--这样的操作是原子的，基于CAS实现，不涉及到加锁。

传统实现：

private int count = 0;  
public synchronized void increment() {  count++;  
}

进阶实现： （使用Java提供的原子类）

AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);  
public void increment() {  int oldValue, newValue;  do {  oldValue = count.get();  newValue = oldValue + 1;  } while (!count.compareAndSet(oldValue, newValue)); // CAS自旋  
}

2.2.2实现自旋锁

先回顾一个上篇文章的概念：自旋锁是线程通过循环（自旋）不断尝试获取锁，而非立即阻塞。适用于锁持有时间极短的场景。

代码实现：

public class CASSpinLock {  private AtomicBoolean locked = new AtomicBoolean(false);  // 获取锁  public void lock() {  while (!locked.compareAndSet(false, true)) {  // 自旋：直到成功将locked从false改为true  }  }  // 释放锁  public void unlock() {  locked.set(false);  }  
}

  • 线程竞争不激烈时（如短任务），自旋锁比系统锁（如synchronized）更高效。

  • 缺点：长时间自旋会浪费CPU资源（需根据场景权衡）。

2.3缺陷：ABA问题

ABA问题场景

  1. 线程1读取变量值为A。

  2. 线程2将值改为B，随后又改回A。

  3. 线程1执行CAS操作，发现当前值仍是A，误认为未被修改过，操作成功。

通俗理解：

  • 你看到自己的水杯是满的（A），去接水时离开了一会儿。

  • 期间别人喝光水（A→B）又倒满（B→A）。

  • 你回来后以为水没被喝过，直接喝下（可能喝到别人的水！）。

这里在实际场景中就是非常严重的线程安全的问题了。

解决方案： 

 

1. 版本号标记（AtomicStampedReference）
为值附加一个版本号（类似“修改次数”），CAS时同时校验值和版本号。

AtomicStampedReference<String> ref = new AtomicStampedReference<>("A", 0);  // 线程1读取值和版本号  
int stamp = ref.getStamp();  
String oldValue = ref.getReference();  // 线程2修改值并更新版本号  
ref.compareAndSet("A", "B", stamp, stamp + 1);  
ref.compareAndSet("B", "A", stamp + 1, stamp + 2);  // 线程1尝试修改：虽然值还是A，但版本号已变，操作失败！  
boolean success = ref.compareAndSet(oldValue, "C", stamp, stamp + 1);

2. 状态标记（AtomicMarkableReference）
用布尔值标记是否被修改过（简化版版本号）。

2.4JUC组件

2.4.1Callable接口

官方解析：Callable (Java SE 17 & JDK 17)

Callable 是 Java 并发包（JUC）中定义的接口，类似于 Runnable，但允许线程执行任务后返回结果，并可以抛出异常。

与 Runnable 的区别：

  • Runnable 的 run() 没有返回值，Callable 的 call() 可以返回泛型结果。

  • call() 可以抛出受检异常，run() 不能。

具体案例（异步运算1加到100）：

Callable<Integer> task = () -> {int sum = 0;for (int i = 1; i <= 100; i++) sum += i;return sum;
};
FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<>(task);
new Thread(futureTask).start();// 主线程获取结果
System.out.println("计算结果：" + futureTask.get()); // 输出 5050

通过 FutureTask 包装 Callable 任务，启动线程执行后，主线程通过 futureTask.get() 等待结果返回，类似“异步任务+回调”模式。 

2.4.2ReentrantLock（与synchronized对比）

官方解析：ReentrantLock (Java SE 17 & JDK 17)

ReentrantLock 是 JUC 提供的显式锁，支持可重入性、可中断锁、公平锁等特性。

特性synchronizedReentrantLock
锁获取方式隐式（JVM 管理）显式（代码手动加锁/解锁）
可中断不支持支持 lockInterruptibly()
公平锁不支持支持（构造函数指定）
条件变量（Condition）无支持（newCondition()）

 案例：

class BankAccount {private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();private int balance = 100;void transfer(BankAccount target, int amount) {lock.lock();try {if (this.balance >= amount) {this.balance -= amount;target.balance += amount;}} finally {lock.unlock(); // 必须手动释放锁}}
}

synchronized 的等价实现是在方法签名加 synchronized 关键字，但 ReentrantLock 更灵活：

  • 可设置超时时间（tryLock(1, TimeUnit.SECONDS)）。

  • 公平锁减少线程饥饿问题。

2.4.3Semaphore信号量

官方解析：Semaphore (Java SE 17 & JDK 17)

Semaphore 用于控制同时访问某个资源的线程数量，类似“许可证发放”。

核心方法：

  • acquire()：获取许可证（若无可用则阻塞）。

  • release()：释放许可证。

 案例：（模拟停车场）

Semaphore semaphore = new Semaphore(3); // 3 个许可证Runnable parkAction = () -> {try {semaphore.acquire(); // 获取车位System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 停入车位");Thread.sleep(2000); // 停车 2 秒} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();} finally {semaphore.release(); // 释放车位System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 离开车位");}
};// 启动 5 辆车尝试停车
for (int i = 0; i < 5; i++) {new Thread(parkAction).start();
}

2.4.4CountDownLatch

官方解析：CountDownLatch (Java SE 17 & JDK 17)

CountDownLatch 是一个同步工具，允许一个或多个线程等待其他线程完成操作。

核心方法：

  • countDown()：计数器减 1。

  • await()：阻塞直到计数器归零。 

public static void main(String[] args) {CountDownLatch latch = new CountDownLatch(3); // 需要等待 3 个任务// 资源加载任务Runnable loadTask = () -> {try {Thread.sleep((long) (Math.random() * 2000));System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 加载完成");latch.countDown();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}};// 启动 3 个资源加载线程new Thread(loadTask, "地图").start();new Thread(loadTask, "音效").start();new Thread(loadTask, "UI").start();// 主线程等待所有资源加载完成try {latch.await();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println("所有资源加载完成，开始游戏！");}

3.小结

今天的分享到这里就结束了，喜欢的小伙伴点点赞点点关注，你的支持就是对我最大的鼓励，大家加油！

 

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