浅谈Java中的atomic包实现原理及应用
1.同步问题的提出
假设我们使用一个双核处理器执行a和b两个线程,核1执行a线程,而核2执行b线程,这两个线程现在都要对名为obj的对象的成员变量i进行加1操作,假设i的初始值为0,理论上两个线程运行后i的值应该变成2,但实际上很有可能结果为1。
我们现在来分析原因,这里为了分析的简单,我们不考虑缓存的情况,实际上有缓存会使结果为1的可能性增大。a线程将内存中的变量i读取到核1算数运算单元中,然后进行加1操作,再将这个计算结果写回到内存中,因为上述操作不是原子操作,只要b线程在a线程将i增加1的值写回到内存之前,读取了内存中i的值(此时i值为0),那么一定就会出现i的结果为1。因为a和b线程读取的i的值都为0,两个线程对它加1后的值都为1,两个线程先后将1写入到变量i中,也就是说i被两次写入的值都为1。
最通常的解决方法是两个线程中对i加1的代码用synchronize关键字对obj对象加锁。今天我们介绍一种新的解决方案,即使用atomic包中的相关类来解决。
2.atomic在硬件上的支持
在单处理器系统(uniprocessor)中,能够在单条指令中完成的操作都可以认为是"原子操作",因为中断只能发生于指令之间(因为线程的调度需要通过中断完成)。这也是某些cpu指令系统中引入了test_and_set、test_and_clear等指令用于临界资源互斥的原因。在对称多处理器(symmetricmulti-processor)结构中就不同了,由于系统中有多个处理器在独立地运行,即使能在单条指令中完成的操作也有可能受到干扰。
在x86平台上,cpu提供了在指令执行期间对总线加锁的手段。cpu芯片上有一条引线#hlockpin,如果汇编语言的程序中在一条指令前面加上前缀"lock",经过汇编以后的机器代码就使cpu在执行这条指令的时候把#hlockpin的电位拉低,持续到这条指令结束时放开,从而把总线锁住,这样同一总线上别的cpu就暂时不能通过总线访问内存了,保证了这条指令在多处理器环境中的原子性。当然,并不是所有的指令前面都可以加lock前缀的,只有add,adc,and,btc,btr,bts,cmpxchg,dec,inc,neg,not,or,sbb,sub,xor,xadd,和xchg指令前面可以加"lock"指令,实现原子操作。
atomic的核心操作就是cas(compareandset,利用cmpxchg指令实现,它是一个原子指令),该指令有三个操作数,变量的内存值v(value的缩写),变量的当前预期值e(exception的缩写),变量想要更新的值u(update的缩写),当内存值和当前预期值相同时,将变量的更新值覆盖内存值,执行伪代码如下。
if(v == e){ v = u return true }else{ return false }
现在我们就用cas操作来解决上述问题。b线程将内存中的变量i读取一个临时变量中(假设此时读取的值为0),然后再将i的值读取到core1的算数运算单元中,接下来进行加1操作,比较临时变量中的值和i当前的值是否相同,如果相同用运算单元中的结果(即i+1)的值覆盖内存中i的值(注意这一部分就是cas操作,它是个原子操作,不能被中断且其它线程中的cas操作不能同时执行),否则指令执行失败。如果指令失败,说明a线程已经将i的值加1。由此可知如果两个线程一开始读取的i的值为都为0,那么必然只有一个线程的cas操作能够成功,因为cas操作不能并发执行。对于cas操作执行失败的线程,只要循环执行cas操作,那么一定能够成功。可以看到并没有线程阻塞,这和synchronize的原理有着本质的不同。
3.atomic包简介及源码分析
atomic包中的类基本的特性就是在多线程环境下,当有多个线程同时对单个(包括基本类型及引用类型)变量进行操作时,具有排他性,即当多个线程同时对该变量的值进行更新时,仅有一个线程能成功,而未成功的线程可以向自旋锁一样,继续尝试,一直等到执行成功。
atomic系列的类中的核心方法都会调用unsafe类中的几个本地方法。我们需要先知道一个东西就是unsafe类,全名为:sun.misc.unsafe,这个类包含了大量的对c代码的操作,包括很多直接内存分配以及原子操作的调用,而它之所以标记为非安全的,是告诉你这个里面大量的方法调用都会存在安全隐患,需要小心使用,否则会导致严重的后果,例如在通过unsafe分配内存的时候,如果自己指定某些区域可能会导致一些类似c++一样的指针越界到其他进程的问题。
atomic包中的类按照操作的数据类型可以分成4组
atomicboolean,atomicinteger,atomiclong
线程安全的基本类型的原子性操作
atomicintegerarray,atomiclongarray,atomicreferencearray
线程安全的数组类型的原子性操作,它操作的不是整个数组,而是数组中的单个元素
atomiclongfieldupdater,atomicintegerfieldupdater,atomicreferencefieldupdater
基于反射原理对象中的基本类型(长整型、整型和引用类型)进行线程安全的操作
atomicreference,atomicmarkablereference,atomicstampedreference
线程安全的引用类型及防止aba问题的引用类型的原子操作
我们一般常用的atomicinteger、atomicreference和atomicstampedreference。现在我们来分析一下atomic包中atomicinteger的源代码,其它类的源代码在原理上都比较类似。
1.有参构造函数
public atomicinteger(int initialvalue) { value = initialvalue; }
从构造函数函数可以看出,数值存放在成员变量value中
private volatile int value;
成员变量value声明为volatile类型,说明了多线程下的可见性,即任何一个线程的修改,在其它线程中都会被立刻看到
2.compareandset方法(value的值通过内部this和valueoffset传递)
public final boolean compareandset(int expect, int update) { return unsafe.compareandswapint(this, valueoffset, expect, update); }
这个方法就是最核心的cas操作
3.getandset方法,在该方法中调用了compareandset方法
public final int getandset(int newvalue) { for (;;) { int current = get(); if (compareandset(current, newvalue)) return current; } }
如果在执行if(compareandset(current,newvalue)之前其它线程更改了value的值,那么导致value的值必定和current的值不同,compareandset执行失败,只能重新获取value的值,然后继续比较,直到成功。
4.i++的实现
public final int getandincrement() { for (;;) { int current = get(); int next = current + 1; if (compareandset(current, next)) return current; } }
5. ++i的实现
public final int incrementandget() { for (;;) { int current = get(); int next = current + 1; if (compareandset(current, next)) return next; } }
4.使用atomicinteger例子
下面的程序,利用atomicinteger模拟卖票程序,运行结果中不会出现两个程序卖了同一张票,也不会卖到票为负数
package javaleanning; import java.util.concurrent.atomic.atomicinteger; public class selltickets { atomicinteger tickets = new atomicinteger(100); class seller implements runnable{ @override public void run() { while(tickets.get() > 0){ int tmp = tickets.get(); if(tickets.compareandset(tmp, tmp-1)){ system.out.println(thread.currentthread().getname()+" "+tmp); } } } } public static void main(string[] args) { selltickets st = new selltickets(); new thread(st.new seller(), "sellera").start(); new thread(st.new seller(), "sellerb").start(); } }
5.aba问题
上述的例子运行结果完全正确,这是基于两个(或多个)线程都是向同一个方向对数据进行操作,上面的例子中两个线程都是是对tickets进行递减操作。再比如,多个线程对一个共享队列都进行对象的入列操作,那么通过atomicreference类也可以得到正确的结果(aqs中维护的队列其实就是这个情况),但是多个线程即可以入列也可以出列,也就是数据的操作方向不一致,那么可能出现aba的情况。
我们现在拿一个比较好理解的例子来解释aba问题,假设有两个线程t1和t2,这两个线程对同一个栈进行出栈和入栈的操作。
我们使用atomicreference定义的tail来保存栈顶位置
atomicreference<t> tail;
假设t1线程准备出栈,对于出栈操作我们只需要将栈顶位置由sp通过cas操作更新为newsp即可,如图1所示。但是在t1线程执行tail.compareandset(sp,newsp)之前系统进行了线程调度,t2线程开始执行。t2执行了三个操作,a出栈,b出栈,然后又将a入栈。此时系统又开始调度,t1线程继续执行出栈操作,但是在t1线程看来,栈顶元素仍然为a,(即t1仍然认为b还是栈顶a的下一个元素),而实际上的情况如图2所示。t1会认为栈没有发生变化,所以tail.compareandset(sp,newsp)执行成功,栈顶指针被指向了b节点。而实际上b已经不存在于堆栈中,t1将a出栈后的结果如图3所示,这显然不是正确的结果。
6.aba问题的解决方法
使用atomicmarkablereference,atomicstampedreference。使用上述两个atomic类进行操作。他们在实现compareandset指令的时候除了要比较当对象的前值和预期值以外,还要比较当前(操作的)戳值和预期(操作的)戳值,当全部相同时,compareandset方法才能成功。每次更新成功,戳值都会发生变化,戳值的设置是由编程人员自己控制的。
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))); }
这时的compareandset方法需要四个参数expectedreference,newreference,expectedstamp,newstamp,我们在使用这个方法时要保证期望的戳值和要更新戳值不能一样,通常newstamp=expectedstamp+1
还拿上述的例子
假设线程t1在弹栈之前:sp指向a,戳值为100。
线程t2执行:将a出栈后,sp指向b,戳值变为101,
b出栈后,sp指向c,戳值变为102,
a入栈后,sp指向a,戳值变为103,
线程t1继续执行compareandset语句,发现sp虽然还是指向a,但是戳值的预期值100和当前值103不同,所以compareandset失败,需要从新获取newsp的值(此时newsp就会指向c),以及戳的预期值103,然后再次进行compareandset操作,这样a成功出栈,sp会指向c。
注意,由于compareandset只能一次改变一个值,无法同时改变newreference和newstamp,所以在实现的时候,在内部定义了一个类pair类将newreference和newstamp变成一个对象,进行cas操作的时候,实际上是对pair对象的操作
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); } }
对于atomicmarkablereference而言,戳值是一个布尔类型的变量,而atomicstampedreference中戳值是一个整型变量。
总结
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