1 无锁类的原理详解
1.1 CAS
CAS算法的过程是这样:它包含3个参数CAS(V,E,N)。V表示要更新的变量,E表示预期值,N表示新值。仅当V值等于E值时,才会将V的值设为N,如果V值和E值不同,则说明已经有其他线程做了更新,则当前线程什么都不做。最后,CAS返回当前V的真实值。CAS操作是抱着乐观的态度进行的,它总是认为自己可以成功完成操作。当多个线程同时使用CAS操作一个变量时,只有一个会胜出,并成功更新,其余均会失败。失败的线程不会被挂起,仅是被告知失败,并且允许再次尝试,当然也允许失败的线程放弃操作。基于这样的原理,CAS操作即使没有锁,也可以发现其他线程对当前线程的干扰,并进行恰当的处理。
我们会发现,CAS的步骤太多,有没有可能在判断V和E相同后,正要赋值时,切换了线程,更改了值。造成了数据不一致呢?
事实上,这个担心是多余的。CAS整一个操作过程是一个原子操作,它是由一条CPU指令完成的。
1.2 CPU指令
CAS的CPU指令是cmpxchg
指令代码如下:
/*
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 ;
}
目标值和寄存器里的值相等的话,就设置一个跳转标志,并且把原始数据设到目标里面去。如果不等的话,就不设置跳转标志了。
Java当中提供了很多无锁类,下面来介绍下无锁类。
2 无所类的使用
我们已经知道,无锁比阻塞效率要高得多。我们来看看Java是如何实现这些无锁类的。
2.1. AtomicInteger
AtomicInteger和Integer一样,都继承与Number类
public class AtomicInteger extends Number implements java . io . Serializable
AtomicInteger里面有很多CAS操作,典型的有:
public final boolean compareAndSet ( int expect , int update ) {
return unsafe . compareAndSwapInt ( this , valueOffset , expect , update );
}
这里来解释一下unsafe.compareAndSwapInt方法,他的意思是,对于this这个类上的偏移量为valueOffset的变量值如果与期望值expect相同,那么把这个变量的值设为update。
其实偏移量为valueOffset的变量就是value
static {
try {
valueOffset = unsafe . objectFieldOffset
( AtomicInteger . class . getDeclaredField ( "value" ));
} catch ( Exception ex ) { throw new Error ( ex ); }
}
我们此前说过,CAS是有可能会失败的,但是失败的代价是很小的,所以一般的实现都是在一个无限循环体内,直到成功为止。
public final int getAndIncrement () {
for (;;) {
int current = get ();
int next = current + 1 ;
if ( compareAndSet ( current , next ))
return current ;
}
}
2.2 Unsafe
从类名就可知,Unsafe操作是非安全的操作,比如:
根据偏移量设置值(在刚刚介绍的AtomicInteger中已经看到了这个功能)
park()(把这个线程停下来,在以后的Blog中会提到)
底层的CAS操作
非公开API,在不同版本的JDK中,可能有较大差异
2.3. AtomicReference
前面已经提到了AtomicInteger,当然还有AtomicBoolean,AtomicLong等等,都大同小异。
这里要介绍的是AtomicReference。
AtomicReference是一种模板类
public class AtomicReference < V > implements java . io . Serializable
它可以用来封装任意类型的数据。
比如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 ();
}
}
}
结果:
10 Failed
13 Failed
9 Change value
11 Failed
12 Failed
15 Failed
17 Failed
14 Failed
16 Failed
18 Failed
可以看到只有一个线程能够修改值,并且后面的线程都不能再修改。
2.4.AtomicStampedReference
我们会发现CAS操作还是有一个问题的
比如之前的AtomicInteger的incrementAndGet方法
public final int incrementAndGet () {
for (;;) {
int current = get ();
int next = current + 1 ;
if ( compareAndSet ( current , next ))
return next ;
}
}
假设当前value=1当某线程int current = get()执行后,切换到另一个线程,这个线程将1变成了2,然后又一个线程将2又变成了1。此时再切换到最开始的那个线程,由于value仍等于1,所以还是能执行CAS操作,当然加法是没有问题的,如果有些情况,对数据的状态敏感时,这样的过程就不被允许了。
此时就需要AtomicStampedReference类。
其内部实现一个Pair类来封装值和时间戳。
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 );
}
}
这个类的主要思想是加入时间戳来标识每一次改变。
//比较设置 参数依次为:期望值 写入新值 期望时间戳 新时间戳
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 )));
}
当期望值等于当前值,并且期望时间戳等于现在的时间戳时,才写入新值,并且更新新的时间戳。
这里举个用AtomicStampedReference的场景,可能不太适合,但是想不到好的场景了。
场景背景是,某公司给余额少的用户免费充值,但是每个用户只能充值一次。
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,余额:"
+ 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 ( "消费10元,余额:"
+ money . getReference ());
break ;
}
} else {
break ;
}
}
try
{
Thread . sleep ( 100 );
}
catch ( Exception e )
{
// TODO: handle exception
}
}
};
}. start ();
}
}
解释下代码,有3个线程在给用户充值,当用户余额少于20时,就给用户充值20元。有100个线程在消费,每次消费10元。用户初始有9元,当使用AtomicStampedReference来实现时,只会给用户充值一次,因为每次操作使得时间戳+1。运行结果:
充值成功 , 余额: 39
消费10元 , 余额: 29
消费10元 , 余额: 19
消费10元 , 余额: 9
如果使用AtomicReference或者 Atomic Integer来实现就会造成多次充值。
充值成功 , 余额: 39
消费10元 , 余额: 29
消费10元 , 余额: 19
充值成功 , 余额: 39
消费10元 , 余额: 29
消费10元 , 余额: 19
充值成功 , 余额: 39
消费10元 , 余额: 29
2.5. AtomicIntegerArray
与AtomicInteger相比,数组的实现不过是多了一个下标。
public final boolean compareAndSet ( int i , int expect , int update ) {
return compareAndSetRaw ( checkedByteOffset ( i ), expect , update );
}
它的内部只是封装了一个普通的array
private final int [] array ;
里面有意思的是运用了二进制数的前导零来算数组中的偏移量。
shift = 31 - Integer . numberOfLeadingZeros ( scale );
前导零的意思就是比如8位表示12,00001100,那么前导零就是1前面的0的个数,就是4。
具体偏移量如何计算,这里就不再做介绍了。
2.6. AtomicIntegerFieldUpdater
AtomicIntegerFieldUpdater类的主要作用是让普通变量也享受原子操作。
就比如原本有一个变量是int型,并且很多地方都应用了这个变量,但是在某个场景下,想让int型变成AtomicInteger,但是如果直接改类型,就要改其他地方的应用。AtomicIntegerFieldUpdater就是为了解决这样的问题产生的。
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 );
}
}
上述代码将score使用 AtomicIntegerFieldUpdater变成 AtomicInteger。保证了线程安全。
这里使用allscore来验证,如果score和allscore数值相同,则说明是线程安全的。
小说明:
Updater只能修改它可见范围内的变量。因为Updater使用反射得到这个变量。如果变量不可见,就会出错。比如如果某变量申明为private,就是不可行的。
为了确保变量被正确的读取,它必须是volatile类型的。如果我们原有代码中未申明这个类型,那么简单得申明一下就行,这不会引起什么问题。
由于CAS操作会通过对象实例中的偏移量直接进行赋值,因此,它不支持static字段(Unsafe.objectFieldOffset()不支持静态变量)。