第15章 原子变量与非阻塞同步机制

与基于锁的方案相比，非阻塞算法在设计和实现上都要复杂得多，但它们在可伸缩性和活跃性上却拥有巨大的优势。由于非阻塞算法可以使多个线程在竞争相同的数据时不会发生阻塞，因此它能在粒度更细的层次上进行协调，并且极大地减少调度开销。而且，在非阻塞算法中不存在死锁和其他活跃性问题。在基于锁的算法中，如果一个线程在休眠或自旋的同时持有一个锁，那么其他线程都无法执行下去，而非阻塞算法不会受到单个线程失败的影响。从Java5.0开始，可以使用原子变量类（例如AtomicInteger和AtomicReference）来构建高效的非阻塞算法。

在针对多处理器操作而设计的处理器中提供了一些特殊指令，用于管理对共享数据的并发访问。在早期的处理器中支持原子的测试并设置（Test-and-Set），获取并递增（Fetch-and-Increment）以及交换（Swap）等指令，这些指令足以实现各种互斥体，而这些互斥体又可以实现一些更复杂的并发对象。现在，几乎所有的现代处理器中都包含了某种形式的原子读-改-写指令，例如比较并交换（Compare-and-Swap）或者关联加载/条件存储（Load-Linked/Store-Conditional）。操作系统和JVM使用这些指令来实现锁和并发的数据结构，但在Java5.0之前，在Java类中还不能直接使用这些指令。

在大多数处理器架构（包括IA32和Sparc）中采用的方法是实现一个比较并交换（CAS）指令。

CAS的含义是：“我认为V的值应该为A，如果是，那么将V的值更新为B，否则不修改并告诉V的值实际是多少”。

CAS是一项乐观的技术，它希望能成功的执行更新操作，并且如果有另一个线程在最近一次检查后更新了该变量，那么CAS能检测到这个错误。

那么，Java代码如何确保处理器执行CAS操作？在Java5.0之前，如果不编写明确的代码，那么就无法执行CAS。在Java5.0中引入了底层的支持，在int、long和对象的引用等类型上都公开了CAS操作，并且JVM把它们编译为底层硬件提供的最有效方法。在支持CAS的平台上，运行时把它们编译为相应的（多条）机器指令。在最坏的情况下，如果不支持CAS指令，那么JVM将使用自旋锁。在原子变量类（例如java.util.concurrent.atomic中的AtomicXxx）中使用了这些底层的JVM支持为数字类型和引用类型提供一种高效的CAS操作，而在java.utilconcurrent中的大多类类在实现时则直接或间接地使用了这些原子变量类。

非阻塞算法通过底层的并发原主（例如比较并交换而不是锁）来维持线程的安全性。这些底层的原主通过原子变量类向外公开，这些类也用做一种“更好的volatile变量”，从而为整数和对象引用提供原子的更新操作。

非阻塞算法在设计和实现时非常困难，但通常能够提供更高的可伸缩性，并能更好地防止活跃性故障的发生。在JVM从一个版本升级到一下个版本的过程中，并发性能的主要提升都来自于（在JVM内部以及平台类库中）对非阻塞算法的使用。