【五】多线程 —— 共享模型之无锁

Java中 synchronized 和 ReentrantLock 等 独占锁 就是 悲观锁 思想的实现。管程即monitor是阻塞式的悲观锁实现并发控制。

AtomicInteger 的内部并没有用锁来保护共享变量的线程安全，这是一种乐观锁的思想，说是锁实际没有锁，是一种无锁的实现。

最重要的无锁方式就是CAS(还有volatile，适用于一写多读的场景)，它使用原子操作来保证线程访问共享资源的安全性，相对于悲观锁思想的synchronized，reentrantLock来说, CAS的方式效率会更好!

我们来通过非阻塞式的乐观锁的来实现并发控制。

一、CAS + 重试的原理

从AtomicInteger 的内部说起：

@Override
public void withdraw(Integer amount) {
    // 核心代码
    // 需要不断尝试，直到成功为止
    while (true){
        // 比如拿到了旧值 1000
        int prev = balance.get();
        // 在这个基础上 1000-10 = 990
        int next = prev - amount;
        /*
         compareAndSet 保证操作共享变量安全性的操作:
         ① 线程A首先获取balance.get(),拿到当前的balance值prev
         ② 根据这个prev值 - amount值 = 修改后的值next
         ③ 调用compareAndSet方法, 首先会判断当初拿到的prev值,是否和现在的
         	balance值相同;
         	3.1、如果相同,表示其他线程没有修改balance的值, 此时就可以将next值
         		设置给balance属性
         	3.2、如果不相同,表示其他线程也修改了balance值, 此时就设置next值失败, 
				然后一直重试, 重新获取balance.get()的值,计算出next值,
				并判断本次的prev和balnce的值是否相同...重复上面操作
		*/
        if (atomicInteger.compareAndSet(prev,next)){
            break;
        }
    }
}

其中的关键是 compareAndSwap（比较并设置值），它的简称就是 CAS，它必须是原子操作。
在这里插入图片描述
流程 :
当一个线程要去修改Account对象中的值时，先获取值prev（调用get方法），然后再将其设置为新的值next（调用cas方法）。在调用cas方法时，会将prev与Account中的余额进行比较。

如果两者相等，就说明该值还未被其他线程修改，此时便可以进行修改操作。
如果两者不相等，就不设置值，重新获取值prev（调用get方法），然后再将其设置为新的值next（调用cas方法），直到修改成功为止。

注意 :

其实 CAS 的底层是 lock cmpxchg 指令（X86 架构），在单核 CPU 和多核 CPU 下都能够保证【比较-交换】的原子性。
在多核状态下，某个核执行到带 lock 的指令时，CPU 会让总线锁住，当这个核把此指令执行完毕，再开启总线。这个过程中不会被线程的调度机制所打断，保证了多个线程对内存操作的准确性，是原子的。

为什么CAS+重试(无锁)效率高:

使用CAS+重试—无锁情况下，即使重试失败，线程始终在高速运行，没有停歇，而 synchronized会让线程在没有获得锁的时候，发生上下文切换，进入阻塞。打个比喻：线程就好像高速跑道上的赛车，高速运行时，速度超快，一旦发生上下文切换，就好比赛车要减速、熄火，等被唤醒又得重新打火、启动、加速… 恢复到高速运行，代价比较大
但无锁情况下，因为线程要保持运行，需要额外 CPU 的支持，CPU 在这里就好比高速跑道，没有额外的跑道，线程想高速运行也无从谈起，虽然不会进入阻塞，但由于没有分到时间片，仍然会进入可运行状态，还是会导致上下文切换。

CAS 的特点
结合CAS 和 volatile 可以实现无锁并发，适用于线程数少、多核 CPU 的场景下。

CAS 是基于乐观锁的思想
synchronized 是基于悲观锁的思想
CAS 体现的是无锁并发、无阻塞并发：①因为没有使用 synchronized，所以线程不会陷入阻塞，这是效率提升的因素之一；②但如果竞争激烈(写操作多)，可以想到重试必然频繁发生，反而效率会受影响

二、原子整数

java.util.concurrent.atomic并发包提供了一些并发工具类：

AtomicInteger：整型原子类
AtomicLong：长整型原子类
AtomicBoolean：布尔型原子类

上面三个类提供的方法几乎相同，所以我们将以 AtomicInteger为例子来介绍。

public static void main(String[] args) {
    AtomicInteger i = new AtomicInteger(0);
    // 获取并自增（i = 0, 结果 i = 1, 返回 0），类似于 i++
    System.out.println(i.getAndIncrement());
    // 自增并获取（i = 1, 结果 i = 2, 返回 2），类似于 ++i
    System.out.println(i.incrementAndGet());
    // 自减并获取（i = 2, 结果 i = 1, 返回 1），类似于 --i
    System.out.println(i.decrementAndGet());
    // 获取并自减（i = 1, 结果 i = 0, 返回 1），类似于 i--
    System.out.println(i.getAndDecrement());
    // 获取并加值（i = 0, 结果 i = 5, 返回 0）
    System.out.println(i.getAndAdd(5));
    // 加值并获取（i = 5, 结果 i = 0, 返回 0）
    System.out.println(i.addAndGet(-5));
    // 获取并更新（i = 0, p 为 i 的当前值, 结果 i = -2, 返回 0）
    // 函数式编程接口，其中函数中的操作能保证原子，但函数需要无副作用
    System.out.println(i.getAndUpdate(p -> p - 2));
    // 更新并获取（i = -2, p 为 i 的当前值, 结果 i = 0, 返回 0）
    // 函数式编程接口，其中函数中的操作能保证原子，但函数需要无副作用
    System.out.println(i.updateAndGet(p -> p + 2));
    // 获取并计算，返回更新前的值。
    // 函数式编程接口，其中函数中的操作能保证原子，但函数需要无副作用
    // getAndUpdate 如果在 lambda 中引用了外部的局部变量，要保证该局部变量是 final 的
    // getAndAccumulate 可以通过 参数1 来引用外部的局部变量，但因为其不在 lambda 中因此不必是 final
    System.out.println(i.getAndAccumulate(10, (p, x) -> p + x));
    // 计算并获取,返回更新后的值。
    // 函数式编程接口，其中函数中的操作能保证原子，但函数需要无副作用
    System.out.println(i.accumulateAndGet(-10, (p, x) -> p + x));
}

举个例子: updateAndGet的实现

public static void main(String[] args) {

	AtomicInteger i = new AtomicInteger(5);
	
    updateAndGet(i, new IntUnaryOperator() {
        @Override
        public int applyAsInt(int operand) {
            return operand / 2;
        }
    });
    System.out.println(i.get()); // 2
}

public static void updateAndGet(AtomicInteger i, IntUnaryOperator operator) {
    while (true) {
        int prev = i.get(); // 5
        int next = operator.applyAsInt(prev);
        if (i.compareAndSet(prev, next)) {
            break;
        }
    }
}

三、原子引用

基本类型原子类只能更新一个变量，如果需要原子更新多个变量，需要使用引用类型原子类。

引用类型原子类保证引用类型的共享变量是线程安全的(确保这个原子引用没有引用过别人)。

AtomicReference
AtomicMarkableReference
AtomicStampedReference (可以解决ABA问题)

例子 : 使用原子引用实现BigDecimal存取款的线程不安全的实现过程：

class DecimalAccountUnsafe implements DecimalAccount {
    BigDecimal balance;
    public DecimalAccountUnsafe(BigDecimal balance) {
        this.balance = balance;
    }
    @Override
    public BigDecimal getBalance() {
        return balance;
    }
    @Override
    public void withdraw(BigDecimal amount) {
        BigDecimal balance = this.getBalance();
        this.balance = balance.subtract(amount);
    }
}

解决代码如下：在AtomicReference类中，存在一个value类型的变量，保存对BigDecimal对象的引用。

public class Test1 {
    public static void main(String[] args) {
        DecimalAccount.demo(new DecimalAccountCas(new BigDecimal("10000")));
    }
}

class DecimalAccountCas implements DecimalAccount {

    //原子引用，泛型类型为小数类型
    private final AtomicReference<BigDecimal> balance;

    public DecimalAccountCas(BigDecimal balance) {
        this.balance = new AtomicReference<>(balance);
    }

    @Override
    public BigDecimal getBalance() {
        return balance.get();
    }

    @Override
    public void withdraw(BigDecimal amount) {
        while (true) {
            BigDecimal prev = balance.get();
            BigDecimal next = prev.subtract(amount);
            if (balance.compareAndSet(prev, next)) {
                break;
            }
        }
    }
}


interface DecimalAccount {
    // 获取余额
    BigDecimal getBalance();

    // 取款
    void withdraw(BigDecimal amount);

    /**
     * 方法内会启动 1000 个线程，每个线程做 -10 元 的操作
     * 如果初始余额为 10000 那么正确的结果应当是 0
     */
    static void demo(DecimalAccount account) {
        List<Thread> ts = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            ts.add(new Thread(() -> {
                account.withdraw(BigDecimal.TEN);
            }));
        }
        ts.forEach(Thread::start);
        ts.forEach(t -> {
            try {
                t.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
        System.out.println(account.getBalance());
    }
}

3.1 ABA 问题及解决

public class Test1 {
    static AtomicReference<String> ref = new AtomicReference<>("A");
    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            String pre = ref.get();
            System.out.println("change");
            try {
                other();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            Sleeper.sleep(1);
            //把ref中的A改为C
            System.out.println("change A->C " + ref.compareAndSet(pre, "C"));
        }).start();
    }

    static void other() throws InterruptedException {
        new Thread(() -> {
        	// 此时ref.get()为A,此时共享变量ref也是A,没有被改过, 此时CAS
        	// 可以修改成功, B
            System.out.println("change A->B " + ref.compareAndSet(ref.get(), "B"));
        }).start();
        Thread.sleep(500);
        new Thread(() -> {
        	// 同上, 修改为A
            System.out.println("change B->A " + ref.compareAndSet(ref.get(), "A"));
        }).start();
    }
}

change
change A->B true
change B->A true
change A->C true

开始时，主线程获取到ref的值为A，然后other方法中第一个线程把A改成B，第二个再把B改回A，回到主线程后没有对业务造成影响，但是这个值已经从A–>B–>A改了一回了。主线程仅能判断出共享变量的值与最初值 A是否相同，不能感知到这种从 A 改为 B 又改回 A 的情况。

AtomicStampedReference (加版本号解决ABA问题)
如果主线程希望：只要有其它线程【动过】共享变量，那么自己的 cas 就算失败，这时，仅比较值是不够的，需要再加一个版本号。使用AtomicStampedReference来解决。

public class ABA02 {
    //指定版本号
    static AtomicStampedReference<String> ref = new AtomicStampedReference<>("A", 0);

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            String pre = ref.getReference();
            //获得版本号
            int stamp = ref.getStamp(); // 此时的版本号还是第一次获取的
            System.out.println("change");
            try {
                other();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            //把ref中的A改为C,并比对版本号，如果版本号相同，就执行替换，并让版本号+1
            System.out.println("change A->C stamp " + stamp + ref.compareAndSet(pre, "C", stamp, stamp + 1));
        }).start();
    }

    static void other() throws InterruptedException {
        new Thread(() -> {
            int stamp = ref.getStamp();
            System.out.println("change A->B stamp " + stamp + ref.compareAndSet(ref.getReference(), "B", stamp, stamp + 1));
        }).start();
        Thread.sleep(500);
        new Thread(() -> {
            int stamp = ref.getStamp();
            System.out.println("change B->A stamp " + stamp + ref.compareAndSet(ref.getReference(), "A", stamp, stamp + 1));
        }).start();
    }
}

change
change A->B stamp 0true
change B->A stamp 1true
change A->C stamp 0false

AtomicMarkableReference (标记cas的共享变量是否被修改过)
AtomicStampedReference 可以给原子引用加上版本号，追踪原子引用整个的变化过程，如：A -> B -> A ->C，通过AtomicStampedReference，我们可以知道，引用变量中途被更改了几次。

但是有时候，并不关心引用变量更改了几次，只是单纯的关心是否更改过，所以就有了AtomicMarkableReference

public class ABA04 {
    //指定版本号
    static AtomicMarkableReference<String> ref = new AtomicMarkableReference<>("A", true);

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            String pre = ref.getReference();
            System.out.println("change");
            try {
                other();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            //把str中的A改为C,并比对版本号，如果版本号相同，就执行替换，并让版本号+1
            System.out.println("change A->C mark " + ref.compareAndSet(pre, "C", true, false));
        }).start();
    }

    static void other() throws InterruptedException {
        new Thread(() -> {
            System.out.println("change A->A mark " + ref.compareAndSet(ref.getReference(), "A", true, false));
        }).start();
    }
}

change
change A->A mark true
change A->C mark false

AtomicStampedReference和AtomicMarkableReference两者的区别

AtomicStampedReference 需要传入【整型变量】作为版本号，来判定是否被更改过，且改了几次
AtomicMarkableReference 需要传入【布尔变量】作为标记，来判断是否被更改过

四、原子数组

保证数组内的元素的线程安全。使用原子的方式更新数组里的某个元素。

AtomicIntegerArray：整形数组原子类
AtomicLongArray：长整形数组原子类
AtomicReferenceArray：引用类型数组原子类

普通数组内元素, 多线程访问造成安全问题：

public static void main(String[] args) {
        demo(
                () -> new int[10],
                array -> array.length,
                (array, index) -> array[index]++,
                array -> System.out.println(Arrays.toString(array))
        );
    }

    /**
     * 参数1，提供数组、可以是线程不安全数组或线程安全数组
     * 参数2，获取数组长度的方法
     * 参数3，自增方法，回传 array, index
     * 参数4，打印数组的方法
     */
    private static <T> void demo(Supplier<T> arraySupplier, Function<T, Integer> lengthFun,
                                 BiConsumer<T, Integer> putConsumer, Consumer<T> printConsumer) {
        List<Thread> ts = new ArrayList<>();
        T array = arraySupplier.get();
        int length = lengthFun.apply(array);

        for (int i = 0; i < length; i++) {
            // 创建10个线程, 每个线程对数组作 10000 次操作
            ts.add(new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < 10000; j++) {
                    putConsumer.accept(array, j % length);
                }
            }));
        }

        ts.forEach(t -> t.start()); // 启动所有线程
        ts.forEach(t -> {
            try {
                t.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }); // 等所有线程结束
        printConsumer.accept(array);
    }

[8551, 8550, 8550, 8502, 8535, 8551, 9093, 9228, 9161, 9231]

使用AtomicIntegerArray来创建安全数组：

public static void main(String[] args) {
        demo(
                () -> new AtomicIntegerArray(10),
                AtomicIntegerArray::length,
                AtomicIntegerArray::getAndIncrement,
                System.out::println
        );
    }

    /**
     * 参数1，提供数组、可以是线程不安全数组或线程安全数组
     * 参数2，获取数组长度的方法
     * 参数3，自增方法，回传 array, index
     * 参数4，打印数组的方法
     */
    private static <T> void demo(Supplier<T> arraySupplier, Function<T, Integer> lengthFun,
                                 BiConsumer<T, Integer> putConsumer, Consumer<T> printConsumer) {
        List<Thread> ts = new ArrayList<>();
        T array = arraySupplier.get();
        int length = lengthFun.apply(array);

        for (int i = 0; i < length; i++) {
            // 创建10个线程, 每个线程对数组作 10000 次操作
            ts.add(new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < 10000; j++) {
                    putConsumer.accept(array, j % length);
                }
            }));
        }

        ts.forEach(t -> t.start()); // 启动所有线程
        ts.forEach(t -> {
            try {
                t.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }); // 等所有线程结束
        printConsumer.accept(array);
    }

[10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000]

五、字段更新器

保证多线程访问同一个对象的成员变量时, 成员变量的线程安全性。

AtomicReferenceFieldUpdater —引用类型的属性
AtomicIntegerFieldUpdater —整形的属性
AtomicLongFieldUpdater —长整形的属性

利用字段更新器，可以针对对象的某个域（Field）进行原子操作，只能配合 volatile 修饰的字段使用，否则会出现异常。

Exception in thread "main" java.lang.IllegalArgumentException: Must be volatile type

例子：

public class AtomicFieldTest {
    public static void main(String[] args) {
        Student stu = new Student();
        // 获得原子更新器
      	// 泛型
      	// 参数1 持有属性的类 参数2 被更新的属性的类
      	// newUpdater中的参数：第三个为属性的名称
        AtomicReferenceFieldUpdater updater = AtomicReferenceFieldUpdater.newUpdater(Student.class, String.class, "name");
        // 期望的为null, 如果name属性没有被别的线程更改过, 默认就为null, 此时匹配, 就可以设置name为张三
        System.out.println(updater.compareAndSet(stu, null, "张三"));
        System.out.println(updater.compareAndSet(stu, stu.name, "王五"));
        System.out.println(stu);
    }
}

class Student {
    volatile String name;

    @Override
    public String toString() {
        return "Student{" +
                "name='" + name + '\'' +
                '}';
    }
}

true
true
Student{name='王五'}

六、原子累加器 (LongAddr)

LongAddr
LongAccumulator
DoubleAddr
DoubleAccumulator

public static void main(String[] args) {
        System.out.println("----AtomicLong----");
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            demo(() -> new AtomicLong(), adder -> adder.getAndIncrement());
        }

        System.out.println("----LongAdder----");
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            demo(() -> new LongAdder(), adder -> adder.increment());
        }
    }

    private static <T> void demo(Supplier<T> adderSupplier, Consumer<T> action) {
        T adder = adderSupplier.get();
        long start = System.nanoTime();
        List<Thread> ts = new ArrayList<>();
        // 4 个线程，每个累加 50 万
        for (int i = 0; i < 40; i++) {
            ts.add(new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < 500000; j++) {
                    action.accept(adder);
                }
            }));
        }
        ts.forEach(t -> t.start());
        ts.forEach(t -> {
            try {
                t.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
        long end = System.nanoTime();
        System.out.println(adder + " cost:" + (end - start) / 1000_000);
    }

----AtomicLong----
20000000 cost:282
20000000 cost:237
20000000 cost:240
20000000 cost:237
20000000 cost:235
----LongAdder----
20000000 cost:39
20000000 cost:12
20000000 cost:11
20000000 cost:11
20000000 cost:19

LongAddr
性能提升的原因很简单，就是在有竞争时，设置多个累加单元(但不会超过cpu的核心数)，Therad-0 累加 Cell[0]，而 Thread-1 累加Cell[1]… 最后将结果汇总。这样它们在累加时操作的不同的 Cell 变量，因此减少了 CAS 重试失败，从而提高性能。

AtomicLong
之前AtomicLong等都是在一个共享资源变量上进行竞争, while(true)循环进行CAS重试, 性能没有LongAdder高

七、Unsafe

Unsafe 对象提供了非常底层的，操作内存、线程的方法，Unsafe 对象不能直接调用，只能通过反射获得。

可以发现AtomicInteger以及其他的原子类, 底层都使用的是Unsafe类。
在这里插入图片描述
使用底层的Unsafe实现原子操作：

public class Test {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 通过反射获得Unsafe对象
        Class unsafeClass = Unsafe.class;
        // 获得构造函数，Unsafe的构造函数为私有的
        Constructor constructor = unsafeClass.getDeclaredConstructor();
        // 设置为允许访问私有内容
        constructor.setAccessible(true);
        // 创建Unsafe对象
        Unsafe unsafe = (Unsafe) constructor.newInstance();

        // 创建Person对象
        Person person = new Person();
        // 获得其属性 name 的偏移量
        long nameOffset = unsafe.objectFieldOffset(Person.class.getDeclaredField("name"));
        long ageOffset = unsafe.objectFieldOffset(Person.class.getDeclaredField("age"));

        // 通过unsafe的CAS操作改变值
        unsafe.compareAndSwapObject(person, nameOffset, null, "okok");
        unsafe.compareAndSwapInt(person, ageOffset, 0, 22);
        System.out.println(person);
    }
}

class Person {
    // 配合CAS操作，必须用volatile修饰
    volatile String name;
    volatile int age;
    
    @Override
    public String toString() {
        return "Person{" +
                "name='" + name + '\'' +
                ", age=" + age +
                '}';
    }
}

posted @ 2022-06-25 14:01 沙滩de流沙阅读(63) 评论(0) 编辑收藏举报

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