《Java 并发编程》共享模型之无锁
🚀1. 无锁解决线程安全问题
有如下需求，保证 account.withdraw 取款方法的线程安全
interface Account {
Integer getBalance();
void withdraw(Integer amount);
/**
* 方法内会启动 1000 个线程，每个线程做 -10 元 的操作 * 如果初始余额为 10000 那么正确的结果应当是 0
*/
static void demo(Account account) {
List<Thread> ts = new ArrayList<>();
long start = System.nanoTime();
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
ts.add(new Thread(() -> {
account.withdraw(10);
}));
}
ts.forEach(Thread::start);
ts.forEach(t -> {
try {
t.join();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
});
long end = System.nanoTime();
System.out.println(account.getBalance() + " cost: " + (end - start) / 1000_000 + " ms");
}
}
//线程不安全的做法
class AccountUnsafe implements Account {
private Integer balance;
public AccountUnsafe(Integer balance) {
this.balance = balance;
}
@Override
public Integer getBalance() {
return this.balance;
}
@Override
public synchronized void withdraw(Integer amount) {
balance -= amount;
}
public static void main(String[] args) {
Account.demo(new AccountUnsafe(10000));
}
}
某一次的运行结果
200, cost:178ms
使用原子整数 AtomicInteger 来保证线程安全的做法
public class AccountCas implements Account{
//使用原子整数
private AtomicInteger balance;
public AccountCas(int balance) {
this.balance = new AtomicInteger(balance);
}
@Override
public Integer getBalance() {
//得到原子整数的值
return balance.get();
}
@Override
public void withdraw(Integer amount) {
while(true) {
//获得修改前的值
int prev = balance.get();
//获得修改后的值
int next = prev-amount;
//比较并设值
if(balance.compareAndSet(prev, next)) {
break;
}
}
}
public static void main(String[] args) {
Account.demo(new AccountCas(10000));
}
}
某一次的运行结果
0，cost:94ms
🚀2. CAS 与 volatile
上一章节中看到的 AtomicInteger 的解决方法，内部并没有用锁来保护共享变量的线程安全。那么它是如何实现的呢？
回顾一下上一章节中的 withdraw 方法
public void withdraw(Integer amount) {
//需要不断尝试，直到成功为止
while(true) {
//比如拿到了旧值1000
int prev = balance.get();
//在这个基础上 1000-10 = 990
int next = prev-amount;
/*
compareAndSet正是做这个检查，在set前，先比较prev与当前值
不一致了，next作废，返回false表示失败
比如，别的线程已经做了减法，当前值为990
那么本线程的这次990就作废了，进入while下次循环重试
一致，以next设置为新值，返回true表示成功
*/
if(balance.compareAndSet(prev, next)) {
break;
}
}
}
其中的关键是比较并设置值 (CompareAndSet)，简称就是 CAS （也有 Compare And Swap 的说法），它必须是原子操作。
工作流程
- 当一个线程要去修改 Account 对象中的值时，先获取值 pre（调用 get 方法），然后再将其设置为新的值 next（调用 cas 方法）。在调用 cas 方法时，会将 pre 与 Account 中的余额进行比较。
（1）如果两者相等，就说明该值还未被其他线程修改，此时便可以进行修改操作。
（2）如果两者不相等，就不设置值，重新获取值 pre（调用 get 方法），然后再将其设置为新的值 next（调用 cas 方法），直到修改成功为止。
注意
- 其实 CAS 的底层是 lock cmpxchg 指令（X86 架构），在单核 CPU 和多核 CPU 下都能够保证【比较-交换】的原子性。
- 在多核状态下，某个核执行到带 lock 的指令时，CPU 会让总线锁住，当这个核把此指令执行完毕，再开启总线。这个过程中不会被线程的调度机制所打断，保证了多个线程对内存操作的准确性，是原子的。
volatile
获取共享变量时，为了保证该变量的可见性，需要使用 volatile 修饰。它可以用来修饰成员变量和静态成员变量，可以避免线程从自己的工作缓存中查找变量的值，必须到主存中获取它的值，线程操作 volatile 变量都是直接操作主存。即一个线程对 volatile 变量的修改，对另一个线程可见。
注意
- volatile 仅仅保证了共享变量的可见性，让其它线程能够看到新值，但不能解决指令交错问题（不能保证原子性）
CAS 必须借助 volatile 才能读取到共享变量的新值来实现【比较并交换】的效果。
通常情况下，使用无锁解决线程安全问题比有锁效率高，原因如下
- 无锁情况下，即使重试失败，线程始终在高速运行，没有停歇，而使用 synchronized 锁会让线程在没有获得锁的时候，发生上下文切换，进入阻塞。
- 但无锁情况下，因为线程要保持运行，需要额外 CPU 的支持，如果没有额外的 CPU 支持，还是会导致上下文切换
CAS 的特点
结合 CAS 和 volatile 可以实现无锁并发，适用于线程数少、多核 CPU 的场景下
- CAS 是基于乐观锁的思想：乐观的估计，不怕别的线程来修改共享变量，就算改了也没关系，我吃亏点再重试呗
- synchronized 是基于悲观锁的思想：悲观的估计，得防着其它线程来修改共享变量，我上了锁你们都别想改，我改完了解开锁，你们才有机会
- CAS 体现的是无锁并发、无阻塞并发，请仔细体会这两句话的意思
因为没有使用 synchronized，所以线程不会陷入阻塞，这是效率提升的因素之一
但如果竞争激烈，可以想到重试必然频繁发生，反而效率会受影响
🚀3. 原子整数
J.U.C 并发包提供了
- AtomicBoolean
- AtomicInteger
- AtomicLong
以 AtomicInteger 为例
AtomicInteger i = new AtomicInteger(0);
// 获取并自增（i = 0, 结果 i = 1, 返回 0），类似于 i++
System.out.println(i.getAndIncrement());
// 自增并获取（i = 1, 结果 i = 2, 返回 2），类似于 ++i
System.out.println(i.incrementAndGet());
// 自减并获取（i = 2, 结果 i = 1, 返回 1），类似于 --i
System.out.println(i.decrementAndGet());
// 获取并自减（i = 1, 结果 i = 0, 返回 1），类似于 i--
System.out.println(i.getAndDecrement());
// 获取并加值（i = 0, 结果 i = 5, 返回 0）
System.out.println(i.getAndAdd(5));
// 加值并获取（i = 5, 结果 i = 0, 返回 0）
System.out.println(i.addAndGet(-5));
// 获取并更新（i = 0, p 为 i 的当前值, 结果 i = -2, 返回 0）
// 其中函数中的操作能保证原子，但函数需要无副作用
System.out.println(i.getAndUpdate(p -> p - 2));
// 更新并获取（i = -2, p 为 i 的当前值, 结果 i = 0, 返回 0）
// 其中函数中的操作能保证原子，但函数需要无副作用
System.out.println(i.updateAndGet(p -> p + 2));
// 获取并计算（i = 0, p 为 i 的当前值, x 为参数1, 结果 i = 10, 返回 0）
// 其中函数中的操作能保证原子，但函数需要无副作用
// getAndUpdate 如果在 lambda 中引用了外部的局部变量，要保证该局部变量是 final 的
// getAndAccumulate 可以通过 参数1 来引用外部的局部变量，但因为其不在 lambda 中因此不必是 final
System.out.println(i.getAndAccumulate(10, (p, x) -> p + x));
// 计算并获取（i = 10, p 为 i 的当前值, x 为参数1, 结果 i = 0, 返回 0）
// 其中函数中的操作能保证原子，但函数需要无副作用
System.out.println(i.accumulateAndGet(-10, (p, x) -> p + x));
🚀4. 原子引用
原子引用类型有
- AtomicReference
- AtomicMarkableReference
- AtomicStampedReference
DecimalAccount 实现，使用 CAS 保证安全的取款操作
public interface DecimalAccount {
BigDecimal getBalance();
void withdraw(BigDecimal amount);
/**
* 方法内会启动 1000 个线程，每个线程做 -10 元 的操作
* 如果初始余额为 10000 那么正确的结果应当是 0
*/
static void demo(DecimalAccountImpl account) {
List<Thread> ts = new ArrayList<>();
long start = System.nanoTime();
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
ts.add(new Thread(() -> {
account.withdraw(BigDecimal.TEN);
}));
}
ts.forEach(Thread::start);
ts.forEach(t -> {
try {
t.join();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
});
long end = System.nanoTime();
System.out.println(account.getBalance() + " cost: " + (end - start) / 1000_000 + " ms");
}
}
class DecimalAccountImpl implements DecimalAccount {
//原子引用，泛型类型为小数类型
AtomicReference<BigDecimal> balance;
public DecimalAccountImpl(BigDecimal balance) {
this.balance = new AtomicReference<BigDecimal>(balance);
}
@Override
public BigDecimal getBalance() {
return balance.get();
}
@Override
public void withdraw(BigDecimal amount) {
while(true) {
BigDecimal pre = balance.get();
BigDecimal next = pre.subtract(amount);
if(balance.compareAndSet(pre, next)) {
break;
}
}
}
public static void main(String[] args) {
DecimalAccount.demo(new DecimalAccountImpl(new BigDecimal("10000")));
}
}
🚀5. ABA 问题及解决
static AtomicReference<String> ref = new AtomicReference<>("A");
public static void main(String[] args) {
new Thread(()->{
String pre = ref.get(); // A
System.out.println("change");
try {
other();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("change A->C "+ref.compareAndSet(pre, "C"));
}).start();
}
static void other() throws InterruptedException {
new Thread(()->{
System.out.println("change A->B " + ref.compareAndSet("A", "B"));
}).start();
Thread.sleep(500);
new Thread(()->{
System.out.println("change B->A "+ref.compareAndSet("B","A"));
}).start();
}
运行结果如下
change
change A->B true
change B->A true
change A->C true
那么，观察上面的运行结果可以发现，主线程仅能判断出共享变量的值与初值 A 是否相同，不能感知到这种从 A 改为 B 又 改回 A 的情况，如果主线程希望：
- 只要有其它线程【动过了】共享变量，那么自己的 cas 就算失败，这时，仅比较值是不够的，需要再加一个版本号
AtomicStampedReference
static AtomicStampedReference<String> ref = new AtomicStampedReference<>("A", 0);
public static void main(String[] args) {
new Thread(()->{
String pre = ref.getReference();
//获得版本号
int stamp = ref.getStamp();
System.out.println("change");
try {
other();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
//把str中的A改为C,并比对版本号，如果版本号相同，就执行替换，并让版本号+1
System.out.println("change A->C stamp " + stamp + ref.compareAndSet(pre, "C", stamp, stamp+1));
}).start();
}
static void other() throws InterruptedException {
new Thread(()->{
int stamp = ref.getStamp();
System.out.println("change A->B stamp " + stamp + ref.compareAndSet("A", "B", stamp, stamp+1));
}).start();
Thread.sleep(500);
new Thread(()->{
int stamp = ref.getStamp();
System.out.println("change B->A stamp " + stamp + ref.compareAndSet("B", "A", stamp, stamp+1));
}).start();
}
运行结果如下
change
change A->B stamp 0true
change B->A stamp 1true
change A->C stamp 0false
AtomicStampedReference 可以给原子引用加上版本号，追踪原子引用整个的变化过程，如： A -> B -> A -> C ，通过 AtomicStampedReference，我们可以知道，引用变量中途被更改了几次。但是有时候，并不关心引用变量更改了几次，只是单纯的关心是否更改过，所以就有了 AtomicMarkableReference.
AtomicMarkableReference
static AtomicMarkableReference<String> ref = new AtomicMarkableReference<>("A", true);
public static void main(String[] args) {
new Thread(()->{
String pre = ref.getReference();
System.out.println("change");
try {
other();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("change A->C mark " + ref.compareAndSet(pre, "C", true, false));
}).start();
}
static void other() throws InterruptedException {
new Thread(()->{
System.out.println("change A->A mark " + ref.compareAndSet("A", "A", true, false));
}).start();
}
运行结果如下
change
change A->A mark true
change A->C mark false
两者的区别
- AtomicStampedReference 需要我们传入整型变量作为版本号，来判定是否被更改过（可以追踪变化过程）
- AtomicMarkableReference 需要我们传入布尔变量作为标记，来判断是否被更改过（只关心是否更改过）
🚀6. 原子数组和原子字段更新器
原子数组类型有
- AtomicIntegerArray
- AtomicLongArray
- AtomicReferenceArray
原子字段更新器类型有
- AtomicReferenceFieldUpdater
- AtomicIntegerFieldUpdater
- AtomicLongFieldUpdater
利用字段更新器，可以针对对象的某个域（Field）进行原子操作，只能配合 volatile 修饰的字段使用，否则会出现异常 Exception in thread "main" java.lang.IllegalArgumentException: Must be volatile type.
public class Test5 {
private volatile int field;
public static void main(String[] args) {
AtomicIntegerFieldUpdater fieldUpdater = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(Test5.class, "field");
Test5 test5 = new Test5();
fieldUpdater.compareAndSet(test5, 0, 10);
//修改成功 field=10
System.out.println(test5.field);
//修改成功 field=20
fieldUpdater.compareAndSet(test5, 10, 20);
System.out.println(test5.field);
//修改失败 field=20
fieldUpdater.compareAndSet(test5, 10, 30);
System.out.println(test5.field);
}
}
运行结果如下
10
20
20
原子字段更新器初始化过程
从上面的例子可以看出，原子更新器是通过 newUpdater 来获取实例的。其中传入了三个参数
- 拥有属性的类的 Class
- 属性的 Class
- 属性的名称
未完待续…
