計算機程序的思惟邏輯 (70) - 原子變量和CAS

時間 2019-11-24

標籤計算機程序思惟邏輯原子變量 cas 简体版

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從本節開始，咱們探討Java併發工具包java.util.concurrent中的內容，本節先介紹最基本的原子變量及其背後的原理和思惟。java

原子變量

什麼是原子變量？爲何須要它們呢？git

在理解synchronized一節，咱們介紹過一個Counter類，使用synchronized關鍵字保證原子更新操做，代碼以下：github

public class Counter {
    private int count;

    public synchronized void incr(){
        count ++;
    }
    
    public synchronized int getCount() {
        return count;
    }
}
複製代碼

對於count++這種操做來講，使用synchronzied成本過高了，須要先獲取鎖，最後還要釋放鎖，獲取不到鎖的狀況下還要等待，還會有線程的上下文切換，這些都須要成本。算法

對於這種狀況，徹底可使用原子變量代替，Java併發包中的基本原子變量類型有：編程

AtomicBoolean：原子Boolean類型
AtomicInteger：原子Integer類型
AtomicLong：原子Long類型
AtomicReference：原子引用類型

這是咱們主要介紹的類，除了這四個類，還有一些其餘的類，咱們也會進行簡要介紹。swift

針對Integer, Long和Reference類型，還有對應的數組類型：數組

AtomicIntegerArray
AtomicLongArray
AtomicReferenceArray

爲了便於以原子方式更新對象中的字段，還有以下的類：安全

AtomicIntegerFieldUpdater
AtomicLongFieldUpdater
AtomicReferenceFieldUpdater

AtomicReference還有兩個相似的類，在某些狀況下更爲易用：bash

AtomicMarkableReference
AtomicStampedReference

你可能會發現，怎麼沒有針對char, short, float, double類型的原子變量呢？大概是用的比較少吧，若是須要，能夠轉換爲int/long，而後使用AtomicInteger或AtomicLong。好比，對於float，可使用以下方法和int相互轉換：

public static int floatToIntBits(float value) public static float intBitsToFloat(int bits);
複製代碼

下面，咱們先來看幾個基本原子類型，從AtomicInteger開始。

AtomicInteger

基本用法

AtomicInteger有兩個構造方法：

public AtomicInteger(int initialValue) public AtomicInteger() 複製代碼

第一個構造方法給定了一個初始值，第二個的初始值爲0。

能夠直接獲取或設置AtomicInteger中的值，方法是：

public final int get() public final void set(int newValue) 複製代碼

之因此稱爲原子變量，是由於其包含一些以原子方式實現組合操做的方法，好比：

//以原子方式獲取舊值並設置新值
public final int getAndSet(int newValue) //以原子方式獲取舊值並給當前值加1 public final int getAndIncrement() //以原子方式獲取舊值並給當前值減1 public final int getAndDecrement() //以原子方式獲取舊值並給當前值加delta public final int getAndAdd(int delta) //以原子方式給當前值加1並獲取新值 public final int incrementAndGet() //以原子方式給當前值減1並獲取新值 public final int decrementAndGet() //以原子方式給當前值加delta並獲取新值 public final int addAndGet(int delta) 複製代碼

這些方法的實現都依賴另外一個public方法：

public final boolean compareAndSet(int expect, int update) 複製代碼

這是一個很是重要的方法，比較並設置，咱們之後將簡稱爲CAS。該方法以原子方式實現了以下功能：若是當前值等於expect，則更新爲update，不然不更新，若是更新成功，返回true，不然返回false。

AtomicInteger能夠在程序中用做一個計數器，多個線程併發更新，也總能實現正確性，咱們看個例子：

public class AtomicIntegerDemo {
    private static AtomicInteger counter = new AtomicInteger(0);

    static class Visitor extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            for (int i = 0; i < 100; i++) {
                counter.incrementAndGet();
                Thread.yield();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        int num = 100;
        Thread[] threads = new Thread[num];
        for (int i = 0; i < num; i++) {
            threads[i] = new Visitor();
            threads[i].start();
        }
        for (int i = 0; i < num; i++) {
            threads[i].join();
        }
        System.out.println(counter.get());
    }
}
複製代碼

程序的輸出老是正確的，爲10000。

基本原理和思惟

AtomicInteger的使用方法是簡單直接的，它是怎麼實現的呢？它的主要內部成員是：

private volatile int value;
複製代碼

注意，它的聲明帶有volatile，這是必需的，以保證內存可見性。

它的大部分更新方法實現都相似，咱們看一個方法incrementAndGet，其代碼爲：

public final int incrementAndGet() {
    for (;;) {
        int current = get();
        int next = current + 1;
        if (compareAndSet(current, next))
            return next;
    }
}
複製代碼

代碼主體是個死循環，先獲取當前值current，計算指望的值next，而後調用CAS方法進行更新，若是當前值沒有變，則更新並返回新值，不然繼續循環直到更新成功爲止。

與synchronized鎖相比，這種原子更新方式表明一種不一樣的思惟方式。

synchronized是悲觀的，它假定更新極可能衝突，因此先獲取鎖，獲得鎖後才更新。原子變量的更新邏輯是樂觀的，它假定衝突比較少，但使用CAS更新，也就是進行衝突檢測，若是確實衝突了，那也不要緊，繼續嘗試就行了。

synchronized表明一種阻塞式算法，得不到鎖的時候，進入鎖等待隊列，等待其餘線程喚醒，有上下文切換開銷。原子變量的更新邏輯是非阻塞式的，更新衝突的時候，它就重試，不會阻塞，不會有上下文切換開銷。

對於大部分比較簡單的操做，不管是在低併發仍是高併發狀況下，這種樂觀非阻塞方式的性能都要遠高於悲觀阻塞式方式。

原子變量是比較簡單的，但對於複雜一些的數據結構和算法，非阻塞方式每每難於實現和理解，幸運的是，Java併發包中已經提供了一些非阻塞容器，咱們只須要會使用就能夠了，好比：

ConcurrentLinkedQueue和ConcurrentLinkedDeque：非阻塞併發隊列
ConcurrentSkipListMap和ConcurrentSkipListSet：非阻塞併發Map和Set

這些容器咱們在後續章節介紹。

但compareAndSet是怎麼實現的呢？咱們看代碼：

public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}
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它調用了unsafe的compareAndSwapInt方法，unsafe是什麼呢？它的類型爲sun.misc.Unsafe，定義爲：

private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
複製代碼

它是Sun的私有實現，從名字看，表示的也是"不安全"，通常應用程序不該該直接使用。原理上，通常的計算機系統都在硬件層次上直接支持CAS指令，而Java的實現都會利用這些特殊指令。從程序的角度看，咱們能夠將compareAndSet視爲計算機的基本操做，直接接納就好。

實現鎖

基於CAS，除了能夠實現樂觀非阻塞算法，它也能夠用來實現悲觀阻塞式算法，好比鎖，實際上，Java併發包中的全部阻塞式工具、容器、算法也都是基於CAS的 (不過，也須要一些別的支持)。

怎麼實現呢？咱們演示一個簡單的例子，用AtomicInteger實現一個鎖MyLock，代碼以下：

public class MyLock {
    private AtomicInteger status = new AtomicInteger(0);

    public void lock() {
        while (!status.compareAndSet(0, 1)) {
            Thread.yield();
        }
    }

    public void unlock() {
        status.compareAndSet(1, 0);
    }
}
複製代碼

在MyLock中，使用status表示鎖的狀態，0表示未鎖定，1表示鎖定，lock()/unlock()使用CAS方法更新，lock()只有在更新成功後才退出，實現了阻塞的效果，不過通常而言，這種阻塞方式過於消耗CPU，有更爲高效的方式，咱們後續章節介紹。MyLock只是用於演示基本概念，實際開發中應該使用Java併發包中的類如ReentrantLock。

AtomicBoolean/AtomicLong/AtomicReference

AtomicBoolean/AtomicLong/AtomicReference的用法和原理與AtomicInteger是相似的，咱們簡要介紹下。

AtomicBoolean

AtomicBoolean能夠用來在程序中表示一個標誌位，它的原子操做方法有：

public final boolean compareAndSet(boolean expect, boolean update) public final boolean getAndSet(boolean newValue) 複製代碼

實際上，AtomicBoolean內部使用的也是int類型的值，用1表示true, 0表示false，好比，其CAS方法代碼爲：

public final boolean compareAndSet(boolean expect, boolean update) {
    int e = expect ? 1 : 0;
    int u = update ? 1 : 0;
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, e, u);
}
複製代碼

AtomicLong

AtomicLong能夠用來在程序中生成惟一序列號，它的方法與AtomicInteger相似，就不贅述了。它的CAS方法調用的是unsafe的另外一個方法，如：

public final boolean compareAndSet(long expect, long update) {
    return unsafe.compareAndSwapLong(this, valueOffset, expect, update);
}
複製代碼

AtomicReference

AtomicReference用來以原子方式更新複雜類型，它有一個類型參數，使用時須要指定引用的類型。如下代碼演示了其基本用法：

public class AtomicReferenceDemo {
    static class Pair {
        final private int first;
        final private int second;

        public Pair(int first, int second) {
            this.first = first;
            this.second = second;
        }

        public int getFirst() {
            return first;
        }

        public int getSecond() {
            return second;
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Pair p = new Pair(100, 200);
        AtomicReference<Pair> pairRef = new AtomicReference<>(p);
        pairRef.compareAndSet(p, new Pair(200, 200));

        System.out.println(pairRef.get().getFirst());
    }
}
複製代碼

AtomicReference的CAS方法調用的是unsafe的另外一個方法：

public final boolean compareAndSet(V expect, V update) {
    return unsafe.compareAndSwapObject(this, valueOffset, expect, update);
}
複製代碼

原子數組

原子數組方便以原子的方式更新數組中的每一個元素，咱們以AtomicIntegerArray爲例來簡要介紹下。

它有兩個構造方法：

public AtomicIntegerArray(int length) public AtomicIntegerArray(int[] array) 複製代碼

第一個會建立一個長度爲length的空數組。第二個接受一個已有的數組，但不會直接操做該數組，而是會建立一個新數組，只是拷貝參數數組中的內容到新數組。

AtomicIntegerArray中的原子更新方法大多帶有數組索引參數，好比：

public final boolean compareAndSet(int i, int expect, int update) public final int getAndIncrement(int i) public final int getAndAdd(int i, int delta) 複製代碼

第一個參數i就是索引。看個簡單的例子：

public class AtomicArrayDemo {
    public static void main(String[] args) {
        int[] arr = { 1, 2, 3, 4 };
        AtomicIntegerArray atomicArr = new AtomicIntegerArray(arr);
        atomicArr.compareAndSet(1, 2, 100);
        System.out.println(atomicArr.get(1));
        System.out.println(arr[1]);
    }
}
複製代碼

輸出爲：

100
2
複製代碼

FieldUpdater

FieldUpdater方便以原子方式更新對象中的字段，字段不須要聲明爲原子變量，FieldUpdater是基於反射機制實現的，咱們會在後續章節介紹反射，這裏簡單介紹下其用法，看代碼：

public class FieldUpdaterDemo {
    static class DemoObject {
        private volatile int num;
        private volatile Object ref;

        private static final AtomicIntegerFieldUpdater<DemoObject> numUpdater
            = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(DemoObject.class, "num");
        private static final AtomicReferenceFieldUpdater<DemoObject, Object>
            refUpdater = AtomicReferenceFieldUpdater.newUpdater(
                    DemoObject.class, Object.class, "ref");

        public boolean compareAndSetNum(int expect, int update) {
            return numUpdater.compareAndSet(this, expect, update);
        }

        public int getNum() {
            return num;
        }

        public Object compareAndSetRef(Object expect, Object update) {
            return refUpdater.compareAndSet(this, expect, update);
        }

        public Object getRef() {
            return ref;
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        DemoObject obj = new DemoObject();
        obj.compareAndSetNum(0, 100);
        obj.compareAndSetRef(null, new String("hello"));
        System.out.println(obj.getNum());
        System.out.println(obj.getRef());
    }
}
複製代碼

類DemoObject中有兩個成員num和ref，聲明爲volatile，但不是原子變量，不過DemoObject對外提供了原子更新方法compareAndSet，它是使用字段對應的FieldUpdater實現的，FieldUpdater是一個靜態成員，經過newUpdater工廠方法獲得，newUpdater須要的參數有類型、字段名、對於引用類型，還須要引用的具體類型。

ABA問題

使用CAS方式更新有一個ABA問題，該問題是指，一個線程開始看到的值是A，隨後使用CAS進行更新，它的實際指望是沒有其餘線程修改過才更新，但普通的CAS作不到，由於可能在這個過程當中，已經有其餘線程修改過了，好比先改成了B，而後又改回爲了A。

ABA是否是一個問題與程序的邏輯有關，若是是一個問題，一個解決方法是使用AtomicStampedReference，在修改值的同時附加一個時間戳，只有值和時間戳都相同才進行修改，其CAS方法聲明爲：

public boolean compareAndSet( V expectedReference, V newReference, int expectedStamp, int newStamp) 複製代碼

好比：

Pair pair = new Pair(100, 200);
int stamp = 1;
AtomicStampedReference<Pair> pairRef = new AtomicStampedReference<Pair>(pair, stamp);
int newStamp = 2;
pairRef.compareAndSet(pair, new Pair(200, 200), stamp, newStamp);
複製代碼

AtomicStampedReference在compareAndSet中要同時修改兩個值，一個是引用，另外一個是時間戳，它怎麼實現原子性呢？實際上，內部AtomicStampedReference會將兩個值組合爲一個對象，修改的是一個值，咱們看代碼：

public boolean compareAndSet(V expectedReference, V newReference, int expectedStamp, int newStamp) {
    Pair<V> current = pair;
    return
        expectedReference == current.reference &&
        expectedStamp == current.stamp &&
        ((newReference == current.reference &&
          newStamp == current.stamp) ||
         casPair(current, Pair.of(newReference, newStamp)));
}
複製代碼

這個Pair是AtomicStampedReference的一個內部類，成員包括引用和時間戳，具體定義爲：

private static class Pair<T> {
    final T reference;
    final int stamp;
    private Pair(T reference, int stamp) {
        this.reference = reference;
        this.stamp = stamp;
    }
    static <T> Pair<T> of(T reference, int stamp) {
        return new Pair<T>(reference, stamp);
    }
}
複製代碼