java 多线程12 : 无锁 实现CAS原子性操作----原子类
我们知道,在并发的环境下,要实现数据的一致性,最简单的方式就是加锁,保证同一时刻只有一个线程可以对数据进行操作。。。。例如一个计数器,我们可以用如下的方式来实现:
public class Counter {
private volatile int a = 0;
public synchronized int incrAndGet(int number) {
this.a += number;
return a;
}
public synchronized int get() {
return a;
}
}
我们对操作都用synchronized关键字进行修饰,保证对属性a的同步访问。。。这样子确实可以保证在并发环境下a的一致性,但是由于使用了锁,锁的开销,线程的调度等等会使得程序的伸缩性受到了限制,于是就有了很多无锁的实现方式。。。。
其实这些无锁的方法都利用了处理器所提供的一些CAS(compare and switch)指令,这个CAS到底干了啥事情呢,可以用下面这个方法来说明CAS所代表的语义:
public synchronized int compareAndSwap(int expect, int newValue) {
int old = this.a;
if (old == expect) {
this.a = newValue;
}
return old;
}
好吧,通过代码应该对CAS语义的标书很清楚了吧,好像现在大多数的处理器都实现了原子的CAS指令了吧。。
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
操作即时没有锁,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。在java中实现CAS的类也必定是一个原子性的操作,可以在java代码看到源码,cas的实现过程是navite,直接调用本地脚本处理的 cmpxchg,所以是原子的,不必担心线程安全
1.2 CPU指令
CAS的CPU指令是cmpxchg
指令代码如下:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 | /* 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
1 | public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable |
AtomicInteger里面有很多CAS操作,典型的有:
1 2 3 | 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
1 2 3 4 5 6 | 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。
1 2 3 4 5 6 7 8 | 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
1 | 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
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 | 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:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 | 10Failed 13Failed 9Change value 11Failed 12Failed 15Failed 17Failed 14Failed 16Failed 18Failed |
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
1 2 3 4 5 6 7 8 | 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。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 | 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。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 | //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。
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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:
1 2 3 4 | 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<Integer>或者 Atomic Integer来实现就会造成多次充值。
1 2 3 4 5 6 7 8 | 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。
1 2 3 | 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
1 | 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。
1 | 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。
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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)。
posted on 2017-03-23 18:02 signheart 阅读(1085) 评论(0) 编辑 收藏 举报