摘要：方法由兩個(gè)參數(shù)，表示期望的值，表示要給設(shè)置的新值。操作包含三個(gè)操作數(shù)內(nèi)存位置預(yù)期原值和新值。如果處的值尚未同時(shí)更改，則操作成功。中就使用了這樣的操作。上面操作還有一點(diǎn)是將事務(wù)范圍縮小了，也提升了系統(tǒng)并發(fā)處理的性能。

這是java高并發(fā)系列第21篇文章。

從網(wǎng)站計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)中一步步引出CAS操作

介紹java中的CAS及CAS可能存在的問(wèn)題

悲觀鎖和樂(lè)觀鎖的一些介紹及數(shù)據(jù)庫(kù)樂(lè)觀鎖的一個(gè)常見(jiàn)示例

使用java中的原子操作實(shí)現(xiàn)網(wǎng)站計(jì)數(shù)器功能

需求：我們開(kāi)發(fā)了一個(gè)網(wǎng)站，需要對(duì)訪(fǎng)問(wèn)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，用戶(hù)每次發(fā)一次請(qǐng)求，訪(fǎng)問(wèn)量+1，如何實(shí)現(xiàn)呢？

下面我們來(lái)模仿有100個(gè)人同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)，并且每個(gè)人對(duì)咱們的網(wǎng)站發(fā)起10次請(qǐng)求，最后總訪(fǎng)問(wèn)次數(shù)應(yīng)該是1000次。實(shí)現(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)如下。

代碼如下：

package com.itsoku.chat20;

import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 * 跟著阿里p7學(xué)并發(fā)，微信公眾號(hào)：javacode2018
 */
public class Demo1 {
    //訪(fǎng)問(wèn)次數(shù)
    static int count = 0;

    //模擬訪(fǎng)問(wèn)一次
    public static void request() throws InterruptedException {
        //模擬耗時(shí)5毫秒
        TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(5);
        count++;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        long starTime = System.currentTimeMillis();
        int threadSize = 100;
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threadSize);
        for (int i = 0; i < threadSize; i++) {
            Thread thread = new Thread(() -> {
                try {
                    for (int j = 0; j < 10; j++) {
                        request();
                    }
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    countDownLatch.countDown();
                }
            });
            thread.start();
        }

        countDownLatch.await();
        long endTime = System.currentTimeMillis();
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "，耗時(shí)：" + (endTime - starTime) + ",count=" + count);
    }
}

輸出：

main，耗時(shí)：138,count=975

代碼中的count用來(lái)記錄總訪(fǎng)問(wèn)次數(shù)，request()方法表示訪(fǎng)問(wèn)一次，內(nèi)部休眠5毫秒模擬內(nèi)部耗時(shí)，request方法內(nèi)部對(duì)count++操作。程序最終耗時(shí)1秒多，執(zhí)行還是挺快的，但是count和我們期望的結(jié)果不一致，我們期望的是1000，實(shí)際輸出的是973（每次運(yùn)行結(jié)果可能都不一樣）。

分析一下問(wèn)題出在哪呢？

代碼中采用的是多線(xiàn)程的方式來(lái)操作count，count++會(huì)有線(xiàn)程安全問(wèn)題，count++操作實(shí)際上是由以下三步操作完成的：

獲取count的值，記做A：A=count

將A的值+1，得到B：B = A+1

讓B賦值給count：count = B

如果有A、B兩個(gè)線(xiàn)程同時(shí)執(zhí)行count++，他們同時(shí)執(zhí)行到上面步驟的第1步，得到的count是一樣的，3步操作完成之后，count只會(huì)+1，導(dǎo)致count只加了一次，從而導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確。

那么我們應(yīng)該怎么做的呢？

對(duì)count++操作的時(shí)候，我們讓多個(gè)線(xiàn)程排隊(duì)處理，多個(gè)線(xiàn)程同時(shí)到達(dá)request()方法的時(shí)候，只能允許一個(gè)線(xiàn)程可以進(jìn)去操作，其他的線(xiàn)程在外面候著，等里面的處理完畢出來(lái)之后，外面等著的再進(jìn)去一個(gè)，這樣操作count++就是排隊(duì)進(jìn)行的，結(jié)果一定是正確的。

我們前面學(xué)了synchronized、ReentrantLock可以對(duì)資源加鎖，保證并發(fā)的正確性，多線(xiàn)程情況下可以保證被鎖的資源被串行訪(fǎng)問(wèn)，那么我們用synchronized來(lái)實(shí)現(xiàn)一下。

代碼如下：

package com.itsoku.chat20;

import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

/**
 * 跟著阿里p7學(xué)并發(fā)，微信公眾號(hào)：javacode2018
 */
public class Demo2 {
    //訪(fǎng)問(wèn)次數(shù)
    static int count = 0;

    //模擬訪(fǎng)問(wèn)一次
    public static synchronized void request() throws InterruptedException {
        //模擬耗時(shí)5毫秒
        TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(5);
        count++;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        long starTime = System.currentTimeMillis();
        int threadSize = 100;
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threadSize);
        for (int i = 0; i < threadSize; i++) {
            Thread thread = new Thread(() -> {
                try {
                    for (int j = 0; j < 10; j++) {
                        request();
                    }
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    countDownLatch.countDown();
                }
            });
            thread.start();
        }

        countDownLatch.await();
        long endTime = System.currentTimeMillis();
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "，耗時(shí)：" + (endTime - starTime) + ",count=" + count);
    }
}

輸出：

main，耗時(shí)：5563,count=1000

程序中request方法使用synchronized關(guān)鍵字，保證了并發(fā)情況下，request方法同一時(shí)刻只允許一個(gè)線(xiàn)程訪(fǎng)問(wèn)，request加鎖了相當(dāng)于串行執(zhí)行了，count的結(jié)果和我們預(yù)期的結(jié)果一致，只是耗時(shí)比較長(zhǎng)，5秒多。

我們?cè)诳匆幌耤ount++操作，count++操作實(shí)際上是被拆分為3步驟執(zhí)行：

1. 獲取count的值，記做A：A=count
2. 將A的值+1，得到B：B = A+1
3. 讓B賦值給count：count = B

方式2中我們通過(guò)加鎖的方式讓上面3步驟同時(shí)只能被一個(gè)線(xiàn)程操作，從而保證結(jié)果的正確性。

我們是否可以只在第3步加鎖，減少加鎖的范圍，對(duì)第3步做以下處理：

獲取鎖
第三步獲取一下count最新的值，記做LV
判斷LV是否等于A，如果相等，則將B的值賦給count，并返回true，否者返回false
釋放鎖

如果我們發(fā)現(xiàn)第3步返回的是false，我們就再次去獲取count，將count賦值給A，對(duì)A+1賦值給B，然后再將A、B的值帶入到上面的過(guò)程中執(zhí)行，直到上面的結(jié)果返回true為止。

我們用代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)，如下：

package com.itsoku.chat20;

import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 * 跟著阿里p7學(xué)并發(fā)，微信公眾號(hào)：javacode2018
 */
public class Demo3 {
    //訪(fǎng)問(wèn)次數(shù)
    volatile static int count = 0;

    //模擬訪(fǎng)問(wèn)一次
    public static void request() throws InterruptedException {
        //模擬耗時(shí)5毫秒
        TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(5);
        int expectCount;
        do {
            expectCount = getCount();
        } while (!compareAndSwap(expectCount, expectCount + 1));
    }

    /**
     * 獲取count當(dāng)前的值
     *
     * @return
     */
    public static int getCount() {
        return count;
    }

    /**
     * @param expectCount 期望count的值
     * @param newCount    需要給count賦的新值
     * @return
     */
    public static synchronized boolean compareAndSwap(int expectCount, int newCount) {
        //判斷count當(dāng)前值是否和期望的expectCount一樣，如果一樣將newCount賦值給count
        if (getCount() == expectCount) {
            count = newCount;
            return true;
        }
        return false;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        long starTime = System.currentTimeMillis();
        int threadSize = 100;
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threadSize);
        for (int i = 0; i < threadSize; i++) {
            Thread thread = new Thread(() -> {
                try {
                    for (int j = 0; j < 10; j++) {
                        request();
                    }
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    countDownLatch.countDown();
                }
            });
            thread.start();
        }

        countDownLatch.await();
        long endTime = System.currentTimeMillis();
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "，耗時(shí)：" + (endTime - starTime) + ",count=" + count);
    }
}

輸出：

main，耗時(shí)：116,count=1000

代碼中用了volatile關(guān)鍵字修飾了count，可以保證count在多線(xiàn)程情況下的可見(jiàn)性。關(guān)于volatile關(guān)鍵字的使用，也是非常非常重要的，前面有講過(guò)，不太了解的朋友可以去看一下：volatile與Java內(nèi)存模型

咱們?cè)倏匆幌麓a，compareAndSwap方法，我們給起個(gè)簡(jiǎn)稱(chēng)吧叫CAS，這個(gè)方法有什么作用呢？這個(gè)方法使用synchronized修飾了，能保證此方法是線(xiàn)程安全的，多線(xiàn)程情況下此方法是串行執(zhí)行的。方法由兩個(gè)參數(shù)，expectCount：表示期望的值，newCount：表示要給count設(shè)置的新值。方法內(nèi)部通過(guò)getCount()獲取count當(dāng)前的值，然后與期望的值expectCount比較，如果期望的值和count當(dāng)前的值一致，則將新值newCount賦值給count。

再看一下request()方法，方法中有個(gè)do-while循環(huán)，循環(huán)內(nèi)部獲取count當(dāng)前值賦值給了expectCount，循環(huán)結(jié)束的條件是compareAndSwap返回true，也就是說(shuō)如果compareAndSwap如果不成功，循環(huán)再次獲取count的最新值，然后+1，再次調(diào)用compareAndSwap方法，直到compareAndSwap返回成功為止。

代碼中相當(dāng)于將count++拆分開(kāi)了，只對(duì)最后一步加鎖了，減少了鎖的范圍，此代碼的性能是不是比方式2快不少，還能保證結(jié)果的正確性。大家是不是感覺(jué)這個(gè)compareAndSwap方法挺好的，這東西確實(shí)很好，java中已經(jīng)給我們提供了CAS的操作，功能非常強(qiáng)大，我們繼續(xù)向下看。

CAS,compare and swap的縮寫(xiě)，中文翻譯成比較并交換。

CAS 操作包含三個(gè)操作數(shù) —— 內(nèi)存位置（V）、預(yù)期原值（A）和新值(B)。 如果內(nèi)存位置的值與預(yù)期原值相匹配，那么處理器會(huì)自動(dòng)將該位置值更新為新值 。否則，處理器不做任何操作。無(wú)論哪種情況，它都會(huì)在 CAS 指令之前返回該 位置的值。（在 CAS 的一些特殊情況下將僅返回 CAS 是否成功，而不提取當(dāng)前 值。）CAS 有效地說(shuō)明了“我認(rèn)為位置 V 應(yīng)該包含值 A；如果包含該值，則將 B 放到這個(gè)位置；否則，不要更改該位置，只告訴我這個(gè)位置現(xiàn)在的值即可?！?/strong>

系統(tǒng)底層進(jìn)行CAS操作的時(shí)候，會(huì)判斷當(dāng)前系統(tǒng)是否為多核系統(tǒng)，如果是就給總線(xiàn)加鎖，只有一個(gè)線(xiàn)程會(huì)對(duì)總線(xiàn)加鎖成功，加鎖成功之后會(huì)執(zhí)行cas操作，也就是說(shuō)CAS的原子性實(shí)際上是CPU實(shí)現(xiàn)的， 其實(shí)在這一點(diǎn)上還是有排他鎖的.，只是比起用synchronized， 這里的排他時(shí)間要短的多， 所以在多線(xiàn)程情況下性能會(huì)比較好。

public final native boolean compareAndSwapObject(Object var1, long var2, Object var4, Object var5);
public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);
public final native boolean compareAndSwapLong(Object var1, long var2, long var4, long var6);

var1：表示要操作的對(duì)象
var2：表示要操作對(duì)象中屬性地址的偏移量
var4：表示需要修改數(shù)據(jù)的期望的值
var5：表示需要修改為的新值

開(kāi)啟事務(wù)
獲取訂單信息
if(訂單狀態(tài)==待處理){
    給用戶(hù)賬戶(hù)增加100
    將訂單狀態(tài)更新為成功
}
返回訂單處理成功
提交事務(wù)

獲取訂單信息,將version的值賦值給V_A
if(訂單狀態(tài)==待處理){
    開(kāi)啟事務(wù)
    給用戶(hù)賬戶(hù)增加100
    update影響行數(shù) = update 訂單表 set version = version + 1 where id = 訂單號(hào) and version = V_A;
    if(update影響行數(shù)==1){
        提交事務(wù)
    }else{
        回滾事務(wù)
    }
}
返回訂單處理成功

package com.itsoku.chat20;

import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

/**
 * 跟著阿里p7學(xué)并發(fā)，微信公眾號(hào)：javacode2018
 */
public class Demo4 {
    //訪(fǎng)問(wèn)次數(shù)
    static AtomicInteger count = new AtomicInteger();

    //模擬訪(fǎng)問(wèn)一次
    public static void request() throws InterruptedException {
        //模擬耗時(shí)5毫秒
        TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(5);
        //對(duì)count原子+1
        count.incrementAndGet();
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        long starTime = System.currentTimeMillis();
        int threadSize = 100;
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threadSize);
        for (int i = 0; i < threadSize; i++) {
            Thread thread = new Thread(() -> {
                try {
                    for (int j = 0; j < 10; j++) {
                        request();
                    }
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    countDownLatch.countDown();
                }
            });
            thread.start();
        }

        countDownLatch.await();
        long endTime = System.currentTimeMillis();
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "，耗時(shí)：" + (endTime - starTime) + ",count=" + count);
    }
}

main，耗時(shí)：119,count=1000