[高併發Java 四] 無鎖

時間 2019-11-17

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在[高併發Java 一] 前言中已經提到了無鎖的概念，因爲在jdk源碼中有大量的無鎖應用，因此在這裏介紹下無鎖。 java

1 無鎖類的原理詳解

1.1 CAS

CAS算法的過程是這樣：它包含3個參數CAS(V,E,N)。V表示要更新的變量，E表示預期值，N表示新值。僅當V
值等於E值時，纔會將V的值設爲N，若是V值和E值不一樣，則說明已經有其餘線程作了更新，則當前線程什麼
都不作。最後，CAS返回當前V的真實值。CAS操做是抱着樂觀的態度進行的，它老是認爲本身能夠成功完成
操做。當多個線程同時使用CAS操做一個變量時，只有一個會勝出，併成功更新，其他均會失敗。失敗的線程
不會被掛起，僅是被告知失敗，而且容許再次嘗試，固然也容許失敗的線程放棄操做。基於這樣的原理，CAS
操做即時沒有鎖，也能夠發現其餘線程對當前線程的干擾，並進行恰當的處理。算法

咱們會發現，CAS的步驟太多，有沒有可能在判斷V和E相同後，正要賦值時，切換了線程，更改了值。形成了數據不一致呢？設計模式

事實上，這個擔憂是多餘的。CAS整一個操做過程是一個原子操做，它是由一條CPU指令完成的。數組

1.2 CPU指令

CAS的CPU指令是cmpxchg 安全

指令代碼以下：多線程

        /*
	accumulator = AL, AX, or EAX, depending on whether
	a byte, word, or doubleword comparison is being performed
	*/
	if(accumulator == Destination) {
	ZF = 1;
	Destination = Source;
	}
	else {
	ZF = 0;
	accumulator = Destination;
	}

目標值和寄存器裏的值相等的話，就設置一個跳轉標誌，而且把原始數據設到目標裏面去。若是不等的話，就不設置跳轉標誌了。

Java當中提供了不少無鎖類，下面來介紹下無鎖類。併發

2 無所類的使用

咱們已經知道，無鎖比阻塞效率要高得多。咱們來看看Java是如何實現這些無鎖類的。 dom

2.1. AtomicInteger

AtomicInteger和Integer同樣，都繼承與Number類 ide

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable

AtomicInteger裏面有不少CAS操做，典型的有：高併發

public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
    }

這裏來解釋一下unsafe.compareAndSwapInt方法，他的意思是，對於this這個類上的偏移量爲valueOffset的變量值若是與指望值expect相同，那麼把這個變量的值設爲update。

其實偏移量爲valueOffset的變量就是value

static {
      try {
        valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
            (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
      } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}

咱們此前說過，CAS是有可能會失敗的，可是失敗的代價是很小的，因此通常的實現都是在一個無限循環體內，直到成功爲止。

public final int getAndIncrement() {
        for (;;) {
            int current = get();
            int next = current + 1;
            if (compareAndSet(current, next))
                return current;
        }
    }

2.2 Unsafe

從類名就可知，Unsafe操做是非安全的操做，好比：

根據偏移量設置值（在剛剛介紹的AtomicInteger中已經看到了這個功能）
park()（把這個線程停下來，在之後的Blog中會提到）
底層的CAS操做

非公開API，在不一樣版本的JDK中，可能有較大差別

2.3. AtomicReference

前面已經提到了AtomicInteger，固然還有AtomicBoolean，AtomicLong等等，都大同小異。

這裏要介紹的是AtomicReference。

AtomicReference是一種模板類

public class AtomicReference<V>  implements java.io.Serializable

它能夠用來封裝任意類型的數據。

好比String

package test;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;


public class Test
{ 
	public final static AtomicReference<String> atomicString = new AtomicReference<String>("hosee");
	public static void main(String[] args)
	{
		for (int i = 0; i < 10; i++)
		{
			final int num = i;
			new Thread() {
				public void run() {
					try
					{
						Thread.sleep(Math.abs((int)Math.random()*100));
					}
					catch (Exception e)
					{
						e.printStackTrace();
					}
					if (atomicString.compareAndSet("hosee", "ztk"))
					{
						System.out.println(Thread.currentThread().getId() + "Change value");
					}else {
						System.out.println(Thread.currentThread().getId() + "Failed");
					}
				};
			}.start();
		}
	}
}

結果：

10Failed
13Failed
9Change value
11Failed
12Failed
15Failed
17Failed
14Failed
16Failed
18Failed

能夠看到只有一個線程可以修改值，而且後面的線程都不能再修改。

2.4.AtomicStampedReference

咱們會發現CAS操做仍是有一個問題的

好比以前的AtomicInteger的incrementAndGet方法

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

假設當前value=1當某線程int current = get()執行後，切換到另外一個線程，這個線程將1變成了2，而後又一個線程將2又變成了1。此時再切換到最開始的那個線程，因爲value仍等於1，因此仍是能執行CAS操做，固然加法是沒有問題的，若是有些狀況，對數據的狀態敏感時，這樣的過程就不被容許了。

此時就須要AtomicStampedReference類。

其內部實現一個Pair類來封裝值和時間戳。

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);
        }
    }

這個類的主要思想是加入時間戳來標識每一次改變。

//比較設置 參數依次爲：指望值 寫入新值 指望時間戳 新時間戳
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)));
    }

當指望值等於當前值，而且指望時間戳等於如今的時間戳時，才寫入新值，而且更新新的時間戳。
這裏舉個用AtomicStampedReference的場景，可能不太適合，可是想不到好的場景了。

場景背景是，某公司給餘額少的用戶免費充值，可是每一個用戶只能充值一次。

package test;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicStampedReference;

public class Test
{
	static AtomicStampedReference<Integer> money = new AtomicStampedReference<Integer>(
			19, 0);

	public static void main(String[] args)
	{
		for (int i = 0; i < 3; i++)
		{
			final int timestamp = money.getStamp();
			new Thread()
			{
				public void run()
				{
					while (true)
					{
						while (true)
						{
							Integer m = money.getReference();
							if (m < 20)
							{
								if (money.compareAndSet(m, m + 20, timestamp,
										timestamp + 1))
								{
									System.out.println("充值成功，餘額:"
											+ money.getReference());
									break;
								}
							}
							else
							{
								break;
							}
						}
					}
				};
			}.start();
		}

		new Thread()
		{
			public void run()
			{
				for (int i = 0; i < 100; i++)
				{
					while (true)
					{
						int timestamp = money.getStamp();
						Integer m = money.getReference();
						if (m > 10)
						{
							if (money.compareAndSet(m, m - 10, timestamp,
									timestamp + 1))
							{
								System.out.println("消費10元，餘額:"
											+ money.getReference());
								break;
							}
						}else {
							break;
						}
					}
					try
					{
						Thread.sleep(100);
					}
					catch (Exception e)
					{
						// TODO: handle exception
					}
				}
			};
		}.start();
	}

}

解釋下代碼，有3個線程在給用戶充值，當用戶餘額少於20時，就給用戶充值20元。有100個線程在消費，每次消費10元。用戶初始有9元，當使用AtomicStampedReference來實現時，只會給用戶充值一次，由於每次操做使得時間戳+1。運行結果：

充值成功，餘額:39
消費10元，餘額:29
消費10元，餘額:19
消費10元，餘額:9

若是使用AtomicReference<Integer>或者 Atomic Integer來實現就會形成屢次充值。

充值成功，餘額:39
消費10元，餘額:29
消費10元，餘額:19
充值成功，餘額:39
消費10元，餘額:29
消費10元，餘額:19
充值成功，餘額:39
消費10元，餘額:29

2.5. AtomicIntegerArray

與AtomicInteger相比，數組的實現不過是多了一個下標。

public final boolean compareAndSet(int i, int expect, int update) {
        return compareAndSetRaw(checkedByteOffset(i), expect, update);
    }

它的內部只是封裝了一個普通的array

private final int[] array;

裏面有意思的是運用了二進制數的前導零來算數組中的偏移量。

shift = 31 - Integer.numberOfLeadingZeros(scale);

前導零的意思就是好比8位表示12,00001100，那麼前導零就是1前面的0的個數，就是4。

具體偏移量如何計算，這裏就再也不作介紹了。

2.6. AtomicIntegerFieldUpdater

AtomicIntegerFieldUpdater類的主要做用是讓普通變量也享受原子操做。

就好比本來有一個變量是int型，而且不少地方都應用了這個變量，可是在某個場景下，想讓int型變成AtomicInteger，可是若是直接改類型，就要改其餘地方的應用。AtomicIntegerFieldUpdater就是爲了解決這樣的問題產生的。

package test;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerFieldUpdater;


public class Test
{
	public static class V{
		int id;
		volatile int score;
		public int getScore()
		{
			return score;
		}
		public void setScore(int score)
		{
			this.score = score;
		}
		
	}
	public final static AtomicIntegerFieldUpdater<V> vv = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(V.class, "score");
	
	public static AtomicInteger allscore = new AtomicInteger(0);
	
	public static void main(String[] args) throws InterruptedException
	{
		final V stu = new V();
		Thread[] t = new Thread[10000];
		for (int i = 0; i < 10000; i++)
		{
			t[i] = new Thread() {
				@Override
				public void run()
				{
					if(Math.random()>0.4)
					{
						vv.incrementAndGet(stu);
						allscore.incrementAndGet();
					}
				}
			};
			t[i].start();
		}
		for (int i = 0; i < 10000; i++)
		{
			t[i].join();
		}
		System.out.println("score="+stu.getScore());
		System.out.println("allscore="+allscore);
	}
}

上述代碼將score使用 AtomicIntegerFieldUpdater變成 AtomicInteger。保證了線程安全。

這裏使用allscore來驗證，若是score和allscore數值相同，則說明是線程安全的。

小說明：