无锁工具类

文章目录

• • 一.示例
  • 二.无锁方案实现原理
  • 三.原子类

一.示例

累加器示例。

public class Test {
  AtomicLong count = 
    new AtomicLong(0);
  void add10K() {
    int idx = 0;
    while(idx++ < 10000) {
      count.getAndIncrement();
    }
  }
}

无锁方案相对互斥锁方案，最大好处是性能。互斥方案为了保持互斥性，需要执行加锁、解锁操作，而加锁、解锁操作本身就是消耗性能；同时拿不到锁的线程还会进入阻塞状态，进而触发线程切换，线程切换对性能的消耗也很大。相比之下，无锁方案则完全没有加锁、解锁的性能消耗，同时还能保证互斥性，既解决了问题，又没有带来新的问题，可谓绝佳方案。

二.无锁方案实现原理

CPU为了解决并发问题，提供了CAS指令（CAS，全称Compare And Swap，即 “比较并交换” ）。CAS指令包含3个参数：共享变量的内存A、用于比较的值B和共享变量的新值C。作为一条CPU的指令，CAS指令本身是能够保证原子性的。

模拟CAS指令，在下面的模拟程序中有两个参数，一个是期望值 expect，另一个是需要写入的新值 newValue，只有当目前 count 的值和期望值 expect 相等时，才会将 count 更新为 newValue。

class SimulatedCAS{
  int count；
  synchronized int cas(
    int expect, int newValue){
    // 读目前count的值
    int curValue = count;
    // 比较目前count值是否==期望值
    if(curValue == expect){
      // 如果是，则更新count的值
      count = newValue;
    }
    // 返回写入前的值
    return curValue;
  }
}

实现方案，一般伴随自旋，所谓自旋其实就是循环尝试。例如实现一个线程安全count+=1操作，“CAS + 自旋”实现方案如下，首先计算newValue = count + 1，如果 cas(count,newValue) 返回的值不等于 count，则意味着线程在执行完代码①处之后，执行代码②处之前，count 的值被其他线程更新过，采用自旋方案，一直循环到count == cas(count,newValue) == true。

class SimulatedCAS{
  volatile int count;
  // 实现count+=1
  addOne(){
    do {
      newValue = count+1; //①
    }while(count !=
      cas(count,newValue) //②
  }
  // 模拟实现CAS，仅用来帮助理解
  synchronized int cas(
    int expect, int newValue){
    // 读目前count的值
    int curValue = count;
    // 比较目前count值是否==期望值
    if(curValue == expect){
      // 如果是，则更新count的值
      count= newValue;
    }
    // 返回写入前的值
    return curValue;
  }
}

ABA问题

假设 count 原本是 A，线程 T1 在执行完代码①处之后，执行代码②处之前，有可能 count 被线程 T2 更新成了 B，之后又被 T3 更新回了 A，这样线程 T1 虽然看到的一直是 A，但是其实已经被其他线程更新过了，这就是 ABA 问题。

使用CAS检查，例如加版本号，Java中使用 AtomicStampedReference 来解决 CAS 中的ABA问题，它不再像 compareAndSet 方法中只比较内存中的值也当前值是否相等，而且先比较引用是否相等，然后比较值是否相等，这样就避免了ABA问题。

//构造方法, 传入引用和戳
public AtomicStampedReference(V initialRef, int initialStamp)
//返回引用
public V getReference()
//返回版本戳
public int getStamp()
//如果当前引用 等于 预期值并且 当前版本戳等于预期版本戳, 将更新新的引用和新的版本戳到内存
public boolean compareAndSet(V   expectedReference,
                                 V   newReference,
                                 int expectedStamp,
                                 int newStamp)
//如果当前引用 等于 预期引用, 将更新新的版本戳到内存
public boolean attemptStamp(V expectedReference, int newStamp)
//设置当前引用的新引用和版本戳
public void set(V newReference, int newStamp) 

AtomicStampedReference 示例

public class AtomicStampedReferenceTest {
    public static void main(String[] args) {
        AtomicStampedReference<Integer> atomicStampedRef =
                new AtomicStampedReference<Integer>(100, 0);
        Thread refT1 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                atomicStampedRef.compareAndSet(100, 101,
                        atomicStampedRef.getStamp(), atomicStampedRef.getStamp() + 1);
                log("thread refT1:" + atomicStampedRef.getReference());
                atomicStampedRef.compareAndSet(101, 100,
                        atomicStampedRef.getStamp(), atomicStampedRef.getStamp() + 1);
                log("thread refT1:" + atomicStampedRef.getReference());
            }
        });
        Thread refT2 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                int stamp = atomicStampedRef.getStamp();
                log("before sleep : stamp = " + stamp);    // stamp = 0
                try {
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                log("after sleep : stamp = " + atomicStampedRef.getStamp());//stamp = 1
                boolean c3 = atomicStampedRef.compareAndSet(100, 101, stamp, stamp + 1);
                log("thread refT2:" + atomicStampedRef.getReference() + ",c3 is " + c3);        //true
            }
        });
        refT1.start();
        refT2.start();
    }
    private static void log(String logString) {
        System.out.println(logString);
    }
}

Java实现原子化的 count += 1

原子类 AtomicLong 的 getAndIncrement() 方法内部就是基于 CAS 实现的。

在 Java 1.8 版本中，getAndIncrement() 方法会转调 unsafe.getAndAddLong() 方法。这里 this 和 valueOffset 两个参数可以唯一确定共享变量的内存地址。

final long getAndIncrement() {
  return unsafe.getAndAddLong(
    this, valueOffset, 1L);
}

unsafe.getAndAddLong() 方法的源码如下，该方法首先会在内存中读取共享变量的值，之后循环调用compareAndSwapLong()方法来尝试设置共享变量的值，直到成功为止。compareAndSwapLong() 是一个native方法，只有当内存*享变量的值等于expected 时，才会将共享变量的值更新为 x，并且返回 true；否则返回 fasle。compareAndSwapLong 的语义和 CAS 指令的语义的差别仅仅是返回值不同而已。

public final long getAndAddLong(
  Object o, long offset, long delta){
  long v;
  do {
    // 读取内存中的值
    v = getLongVolatile(o, offset);
  } while (!compareAndSwapLong(
      o, offset, v, v + delta));
  return v;
}
//原子性地将变量更新为x
//条件是内存中的值等于expected
//更新成功则返回true
native boolean compareAndSwapLong(
  Object o, long offset, 
  long expected,
  long x);

三.原子类

原子化的基本数据类型、原子化的对象引用类型、原子化数组、原子化对象属性更新器和原子化的累加器。

3.1 原子化的基本数据类型

AtomicBoolean、AtomicInteger 和 AtomicLong

getAndIncrement() //原子化i++
getAndDecrement() //原子化的i--
incrementAndGet() //原子化的++i
decrementAndGet() //原子化的--i
//当前值+=delta，返回+=前的值
getAndAdd(delta) 
//当前值+=delta，返回+=后的值
addAndGet(delta)
//CAS操作，返回是否成功
compareAndSet(expect, update)
//以下四个方法
//新值可以通过传入func函数来计算
getAndUpdate(func)
updateAndGet(func)
getAndAccumulate(x,func)
accumulateAndGet(x,func)

3.2 原子化的对象引用类型

相关实现有 AtomicReference、AtomicStampedReference 和 AtomicMarkableReference，利用它们可以实现对象引用的原子化更新。AtomicReference 提供的方法和原子化的基本数据类型差不多，这里不再赘述。不过需要注意的是，对象引用的更新需要重点关注 ABA 问题，AtomicStampedReference 和 AtomicMarkableReference 这两个原子类可以解决 ABA 问题。

//AtomicStampedReference 
boolean compareAndSet(
  V expectedReference,
  V newReference,
  int expectedStamp,
  int newStamp) 
//AtomicMarkableReference 
boolean compareAndSet(
  V expectedReference,
  V newReference,
  boolean expectedMark,
  boolean newMark)

3.3 原子化数组

AtomicIntegerArray、AtomicLongArray 和 AtomicReferenceArray，利用这些原子类，我们可以原子化地更新数组里面的每一个元素。这些类提供的方法和原子化的基本数据类型的区别仅仅是：每个方法多了一个数组的索引参数。

3.4 原子化对象属性更新器

AtomicIntegerFieldUpdater、AtomicLongFieldUpdater 和 AtomicReferenceFieldUpdater，利用它们可以原子化地更新对象的属性，这三个方法都是利用反射机制实现的，创建更新器的方法如下：

public static <U>
AtomicXXXFieldUpdater<U> 
newUpdater(Class<U> tclass, 
  String fieldName)

注意

对象属性必须是 volatile 类型的，只有这样才能保证可见性；如果对象属性不是 volatile 类型的，newUpdater() 方法会抛出 IllegalArgumentException 这个运行时异常。

newUpdater() 的方法参数只有类的信息，没有对象的引用，而更新对象的属性，一定需要对象的引用，那这个参数是在哪里传入的呢？是在原子操作的方法参数中传入的。例如 compareAndSet() 这个原子操作，相比原子化的基本数据类型多了一个对象引用 obj。原子化对象属性更新器相关的方法，相比原子化的基本数据类型仅仅是多了对象引用参数，所以这里也不再赘述了。

boolean compareAndSet(
  T obj, 
  int expect, 
  int update)

3.5 原子化的累加器

DoubleAccumulator、DoubleAdder、LongAccumulator 和 LongAdder，这四个类仅仅用来执行累加操作，相比原子化的基本数据类型，速度更快，但是不支持 compareAndSet() 方法。如果你仅仅需要累加操作，使用原子化的累加器性能会更好。

参考

《Java并发编程实战》

公众号

微信号：bigdata_limeng

本文地址：https://blog.csdn.net/qq_19968255/article/details/110007416