java并发编程11.原子变量与非阻塞同步机制

Posted 2020-09-27

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。

锁的劣势

许多JVM都对非竞争锁获取和释放操作进行了极大的优化，但如果有多个线程同时请求锁，那么JVM就需要借助操作系统地功能。如果出现了这种情况，那么一些线程将被挂起并且在稍后恢复运行。当线程恢复执行时，必须等待其他线程执行完它们的时间片以后，才能被调度执行。在挂起和恢复线程等过程中存在着很大的开销，并且通常存在着较大时间的中断。如果在基于锁的类中包含细粒度的操作（例如同步器类，在其大多数方法中只包含了少量操作），那么当在锁上存在着激烈的竞争时，调度开销与工作开销的比值会非常高。

另外，当一个线程正在等待锁时，它不能做任何其他事情。如果一个线程在持有锁的情况下被延迟执行，那么所有需要这个锁的线程都无法执行下去。如果被阻塞线程的优先级高，而持有锁的线程优先级低，那么将是一个严重的问题。

 

比较并交换CAS

 

CAS包含了3个操作数---需要读写的内存位置V，进行比较的值A和拟写入的新值B。当且仅当V的值等于A时，CAS才会通过原子的方式用新值B来更新V的值，否则不会执行任何操作。无论位置V的值是否等于A，都将返回V原有的值。

 

CAS的含义：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的值实际为多少。CAS是一种乐观的态度，它希望能成功地执行更新操作，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。

/**
 * 当多个线程尝试使用CAS同时更新同一个变量时，只有其中一个线程能更新变量的值，而其他线程都将失败。
 * 然而，失败的线程并不会被挂起，而是被告知在这次竞争中失败，并可以再次尝试。
 * 由于一个线程在竞争CAS时不会阻塞，因此它可以决定是否重新尝试，或者执行一些恢复操作，也或者不执行任何操作。
 */
public class SimulatedCAS { 
    private int value;
    
    public synchronized int get(){
        return value;
    }
    
    public synchronized int compareAndSwap(int expectedValue,int newValue){
        int oldValue = value;
        if(oldValue == expectedValue){
            value = newValue;
        }
        return oldValue;
    }
    
    public synchronized boolean compareAndSet(int expectedValue,int newValue){
        return (expectedValue == compareAndSwap(expectedValue,newValue));
    }
}

CAS的典型使用模式是：首先从V中读取值A，并根据A计算新值B，然后再通过CAS以原子方式将V中的值由A变成B。由于CAS能检测到来自其他线程的干扰，因此即使不使用锁也能够实现原子的读--改--写操作。
非阻塞的计算器

/**
 * 通常，反复重试是一种合理的策略，但在一些竞争很激烈的情况下，
 * 更好的方式是在重试之前首先等待一段时间或者回退，从而避免造成活锁问题。
 * 
 * 虽然java语言的锁定语句比较简洁，但JVM和操作在管理锁时需要完成的工作却并不简单。
 * 在实现锁定时需要遍历JVM中一条非常复杂的代码路径，并可能导致操作系统级的锁定、线程挂起以及上下文却换等动作。
 * 在最好的情况下，在锁定时至少需要一次CAS，因此虽然在使用锁时没有用到CAS，但实际上也无法节约任何执行开销。
 * 另外，在程序内部执行CAS不需要执行JVM代码、系统调用或线程调度操作。
 * 在应用级上看起来越长的代码路径，如果加上JVM和操作系统中的代码调用，那么事实上却变得更短。
 * CAS的主要缺点是，它将使调用者处理竞争问题，而在锁中能自动处理竞争问题
 *
 */
public class CasCounter {
    private SimulatedCAS value;
    
    public int getValue(){
        return value.get();
    }
    
    public int increment(){
        int v;
        do{
            v = value.get();
        }while(v != value.compareAndSwap(v, v + 1));
        return v + 1;
    }
}

JVM对CAS的支持

Java5.0中引入了底层的支持，在int,long和对象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。在原子变量类中，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.util.concurrent中的大多数类在实现时都直接或间接地使用了这些原子变量类。

非阻塞的栈

 

/**
 * 栈是由Node元素构成的一个链表，根节点为栈顶yop，每个元素中都包含了一个值以及指向下一个元素的链接。
 * push方法创建一个新的节点，该节点的next域指向当前的栈顶，然后使用CAS把这个新节点放入栈顶。
 */
public class ConcurrentStack<E> {
    
    AtomicReference<Node<E>> top = new AtomicReference<Node<E>>();
    
    public void push(E item){
        Node<E> newHead = new Node<E>(item);
        Node<E> oldHead;
        do{
            oldHead = top.get();
            newHead.next = oldHead;
        }while(!top.compareAndSet(oldHead, newHead));
    }
    
    public E pop(){
        Node<E> newHead;
        Node<E> oldHead;
        do{
            oldHead = top.get();
            if(oldHead == null){
                return null;
            }
            newHead = oldHead.next;
        }while(!top.compareAndSet(oldHead, newHead));
        return oldHead.item;
    }

    private static class Node<E>{
        public final E item;
        public Node<E> next;
        
        public Node(E item){
            this.item = item;
        }
    }
}

 

非阻塞链表

链表队列比栈复杂，它必须支持对头节点和尾节点的快速访问。它需要单独维护头指针和尾指针。

对于尾部的插入，有两个点需要更新：将当前尾节点的next指向要插入的节点，和将尾节点更新为新插入的节点。这两个更新操作需要不同的CAS操作，不好通过原子变量来实现。需要使用一些策略：

策略一是，即使在一个包含多个步骤的更新操作中，也要确保数据结构总是处于抑制的状态。这样，线程B到达时，如果发现A正在执行更新，那么线程B就可以知道有一个操作已部分完成，并且不能立即执行自己的更新操作。然后B可以等待并直到A完成更新。虽然能使不同的线程轮流访问数据结构，并且不会造成破坏，但如果有一个线程在更新操作中失败了，那么其他的线程都无法再方位队列。

策略二是，如果B到达时发现A正在修改数据结构，那么在数据结构中应该有足够多的信息，使得B能完成A的更新操作。如果B帮助A完成了更新操作，那么B可以执行自己的操作，而不用等待A的操作完成。当A恢复后再试图完成其操作时，会发现B已经替它完成了。

 

 

/**
 * 实现的关键点在于：
 * 当队列处于稳定状态时，未节点的next域将为空，如果队列处于中间状态，那么tail.next将为非空。
 * 因此，任何线程都能够通过检查tail.next来获取队列当前的状态。
 * 而且，当队列处于中间状态时，可以通过将尾节点向前移动一个节点，
 * 从而结束其他线程正在执行的插入元素操作，并使得队列恢复为稳定状态。
 */
public class LinkedQueue<E> {

    private static class Node<E>{
        final E item;
        final AtomicReference<Node<E>> next;

        public Node(E item,Node<E> next){
            this.item = item;
            this.next = new AtomicReference<Node<E>>(next);
        }

        private final Node<E> dummy = new Node<E>(null,null);
        private final AtomicReference<Node<E>> head = new AtomicReference<Node<E>>(dummy);
        private final AtomicReference<Node<E>> tail = new AtomicReference<Node<E>>(dummy);
 
        private boolean put(E item){
            Node<E> newNode = new Node<E>(item,null);
            while(true){
                Node<E> curTail = tail.get();
                Node<E> tailNext = curTail.next.get();
                if(curTail == tail.get()){
                    if(tailNext != null){
                        //队列处于中间状态，推进尾节点
                        tail.compareAndSet(curTail, tailNext);
                    }else{
                        //处于稳定状态。尝试插入新节点
                        if(curTail.next.compareAndSet(null, newNode)){
                            //插入成功，尝试推进尾节点，这一步如果未来得及完成，可由别的线程帮忙
                            tail.compareAndSet(curTail, newNode);
                            return true;
                        }
                    }
                }
            }
        }
    }
}

 

ABA问题
在某些算法中，如果V的值首先由A变成B，再由B变成A。

解决办法是：不是更新某个引用的值，而是更新两个值，包括一个引用和一个版本号。AtomicStampedReference以及AtomicMarkableReference支持在两个变量上执行原子的条件更新。

 

#笔记内容来自 《 java并发编程实战》