多线程关于无锁的线程是否安全问题

Posted 2022-03-04 桃花键神

🔎这里是JAVA多线程加油站
👍如果对你有帮助，给博主一个免费的点赞以示鼓励
欢迎各位🔎点赞👍评论收藏⭐️

文章目录

• 无锁
• • 与众不同的并发策略:比较交换
  • 无锁的线程安全整数:Atomiclnteger
  • Java中的指针: Unsafe类

无锁

• 就人的性格而言，可以分为乐天派和悲观派。对于乐天派来说，他们总是会把事情往好的方面想。他们认为所有事情总是不太容易发生问题，出错是小概率的，因此可以大胆地做事。如果真的不幸遇到了问题，则努力解决问题。而对于悲观的人来说，他们总是担惊受怕，认为出错是一种常态，所以无论大小事情都考虑得面面俱到，为人处世，确保万无一失。
• 对于并发控制而言，锁是一种悲观的策略。它总是假设每一次的临界区操作会产生冲突，因此，必须对每次操作都小心翼翼。如果有多个线程同时需要访问临界区资源，则宁可牺牲性能让线程进行等待，所以说锁会阻塞线程执行。而无锁是一种乐观的策略，它会.假设对资源的访问是没有冲突的。既然没有冲突，自然不需要等待，所以所有的线程都可以在不停顿的状态下持续执行。那遇到冲突怎么办呢?无锁的策略使用一种叫作比较交换(CAS，Compare And Swap）的技术来鉴别线程冲突，一旦检测到冲突产生，就重试当前操作直到没有冲突为止。

与众不同的并发策略:比较交换

• 与锁相比，使用比较交换会使程序看起来更加复杂一些，但由于其非阻塞性，它对死锁问题天生免疫，并且线程间的相互影响也远远比基于锁的方式要小。更为重要的是，使用无锁的方式完全没有锁竞争带来的系统开销，也没有线程间频繁调度带来的开销，因此，它要比基于锁的方式拥有更优越的性能。
• CAS算法的过程是:它包含三个参数CAS(V,E,N)，其中V表示要更新的变量，E表示预期值，N表示新值。仅当√值等于E值时，才会将V的值设为N，如果V值和E值不同，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。
• 简单地说，CAS需要你额外给出一个期望值，也就是你认为这个变量现在应该是什么样子的。如果变量不是你想象的那样，则说明它已经被别人修改过了。你就重新读取，再次尝试修改就好了。
• 在硬件层面，大部分的现代处理器都已经支持原子化的CAS指令。在JDK5以后，虚拟机便可以使用这个指令来实现并发操作和并发数据结构，并且这种操作在虚拟机中可以说是无处不在的。

无锁的线程安全整数:Atomiclnteger

• 为了让Java程序员能够受益于CAS等CPU指令，JDK并发包中有一个atomic包，里面实现了一些直接使用CAS操作的线程安全的类型。
• 其中，最常用的一个类就是AtomicInteger，可以把它看作一个整数。与Integer不同，它是可变的，并且是线程安全的。对其进行修改等任何操作都是用CAS指令进行的。这里简单列举一下AtomicInteger
  的一些主要方法，对于其他原子类，操作也是非常类似的。

就内部实现上来说，AtomicInteger中保存了一个核心字段：

它就代表了AtomicInteger 的当前实际取值。此外还有一个:

• 它保存着value字段在AtomicInteger对象中的偏移量。后面你会看到，这个偏移量是实现AtomicInteger的关键。

AtomicInteger的使用非常简单，这里给出一个示例:

• 第6行的AtomicIntegerincrementAndGet()方法会使用CAS操作将自己加1，同时也会返回当前值（这里忽略了当前值）。执行这段代码，你会看到程序输出了100000。这说明程序正常执行，没有错误。如果不是线程安全，那么i的值应该会小于100 000才对。
• 使用AtomicInteger会比使用锁具有更好的性能。由于篇幅限制,这里不再给出AtomicInteger和锁的性能对比的测试代码，相信写一段简单的代码测试两者的性能应该不是难事。这里让我们关注一下
  incrementAndGet()方法的内部实现（基于对JDK 1.7的分析可知，JDK 1.8与JDK 1.7的实现有所不同）。

其中get(方法非常简单，就是返回内部数据value。

• 这里让人印象深刻的应该是incrementAndGet()方法的第2行for循环吧!如果你是初次看到这样的代码，可能会觉得很奇怪，为什么连设置一个值那么简单的操作都需要一个死循环呢?原因就是:CAS操作未必是成功的，因此对于不成功的情况，我们就需要不断地进行尝试。第3行的get()取得当前值，接着加1后得到新值next。这里，我们就得到了CAS必需的两个参数:期望值及新值。使用compareAndSet()方法将新值next写入，成功的条件是在写入的时刻，当前的值应该要等于刚刚取得的current。如果不是这样，则说明AtomicInteger的值在第3行到第5行代码之间又被其他线程修改过了。当前线程看到的状态就是一个过期状态。因此，compareAndSet返回失败，需要进行下一次重试，直到成功。
• 以上就是CAS操作的基本思想，无论程序多么复杂，其基本原理总是不变的。
• 和AtomicInteger类似的类还有:AtomicLong用来代表long型数据;AtomicBoolean表示boolean型数据;AtomicReference表示对象引用。

Java中的指针: Unsafe类

• 如果你对技术有追求，应该还会特别在意incrementAndGet()方法中compareAndSet(方法的实现。现在，就让我们进一步看一下它吧!

• 在上面的代码中，我们看到一个特殊的变量unsafe，它是
  sun.misc.Unsafe类型。从名字看，这个类应该是封装了一些不安全的操作。那什么操作是不安全的呢?学习过C或者C++，大家应该知道，指针是不安全的，这也是在Java中把指针去除的重要原因。如果指针指错了位置，或者计算指针偏移量时出错，结果可能是灾难性的，你很有可能会覆盖别人的内存，导致系统崩溃。
• 而这里的Unsafe类就是封装了一些类似指针的操作。
• compareAndSwapInt()方法是一个navtive方法，它的几个参数含义如下:

• 第一个参数o为给定的对象，offset为对象内的偏移量（其实就是一个字段到对象头部的偏移量，通过这个偏移量可以快速定位字段)，expected表示期望值，x表示要设置的值。如果指定的字段的值等于expected，那么就把它设置为x。

• 不难看出，compareAndSwapInt()方法的内部，必然是使用CAS原子指令来完成的。此外，Unsafe类还提供了一些方法，主要有以下几种(以int操作为例，其他数据类型是类似的)﹔

  

• 如果大家还记得“3.3.4高效读写的队列:深ConcurrentLinkedQueue类”一节中描述的ConcurrentLinkedQueue类实现,应该对ConcurrentLinkedQueue类中的Node还有些印象.Node的一些CAS操作也都是使用Unsafe类来实现的。大家可以回顾一下，以加深对Unsafe类的印象。

• 这里就可以看到，虽然Java抛弃了指针，但是在关键时刻，类似指针的技术还是必不可少的。这里底层的Unsafe类实现就是最好的例子。但是很不幸，JDK的开发人员并不希望大家使用这个类。获得Unsafe类实例的方法是调动其工厂方法getUnsafe()，但是它的实现却是这样的:

• 注意加粗部分的代码，它会检查调用getUnsafe()函数的类，如果这个类的ClassLoader不为null，就直接抛出异常，拒绝工作。因此，这也使得我们自己的应用程序无法直接使用Unsafe类。它是一个在JDK内部使用的专属类。

注意:根据Java类加载器的工作原理，应用程序的类由App Loader 加载。而系统核心类，如rt.jar中的类由Bootstrap类加载器加载。Bootstrap类加载器没有Java对象的对象，因此试图获得这个类加载器会返回null。所以，当一个类的类加载器为null时，说明它是由 Bootstrap类加载器加载的，而这个类也极有可能是rt.jar中的类。

本文参考多线程高并发程序设计，非常棒的一本书，推荐xdm学习