并发编程（学习笔记-共享模型之无锁）-part5

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了并发编程（学习笔记-共享模型之无锁）-part5相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

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并发编程-5-共享模型之无锁

本文章视频指路👉黑马程序员-并发编程

1.无锁解决线程安全问题

有如下需求，保证 account.withdraw 取款方法的线程安全：

interface Account {
    // 获取余额
    Integer getBalance();
    // 取款
    void withdraw(Integer 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(Account account) {
        List<Thread> ts = new ArrayList<>();
        long start = System.nanoTime();
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            ts.add(new Thread(() -> {
                account.withdraw(10);
            }));
        }
        ts.forEach(Thread::start);
        ts.forEach(t -> {
            try {
                t.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
        long end = System.nanoTime();
        System.out.println(account.getBalance() 
                           + " cost: " + (end-start)/1000_000 + " ms");
    }
}

原有实现并不是线程安全的：

class AccountUnsafe implements Account {
    private Integer balance;

    public AccountUnsafe(Integer balance) {
        this.balance = balance;
    }

    @Override
    public Integer getBalance() {
        return balance;
    }

    @Override
    public void withdraw(Integer amount) {
        this.balance -= amount;
    }
}

执行测试代码：

public static void main(String[] args) {
    Account.demo(new AccountUnsafe(10000));
}

某次得到的结果：

330 cost: 306 ms

解决办法-锁

首先想到的是给 Account 对象加锁：

@Override
public synchronized void withdraw(Integer amount) {
    balance -= amount;
}

解决思路-无锁

class AccountCas implements Account {
   
    private AtomicInteger balance;

    public AccountCas(int balance) {
        this.balance = new AtomicInteger(balance);
    }

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

    @Override
    public void withdraw(Integer amount) {
        while (true) {
            int prev = balance.get();
            //要修改的余额
            int next = prev - amount;
            //把next同步到主存，如果成功退出循环，不成功说明有其他线程已经修改了amount，此时需要重新写入
            if (balance.compareAndSet(prev, next)) {
                break;
            }
        }
        // 可以简化为下面的方法
        // balance.addAndGet(-1 * amount);
    }
}

2.CAS 与 volatile

2-1 CAS

前面看到的 AtomicInteger 的解决方法，内部并没有用锁来保护共享变量的线程安全。那么它是如何实现的呢？

public void withdraw(Integer amount) {
    while(true) {
        // 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 正是做这个检查，在 set 前，先比较 prev 与当前值
             - 不一致了，next 作废，返回 false 表示失败
             比如，别的线程已经做了减法，当前值已经被减成了 990
             那么本线程的这次 990 就作废了，进入 while 下次循环重试
             - 一致，以 next 设置为新值，返回 true 表示成功
             */
            if (balance.compareAndSet(prev, next)) {
                break;
            }
        }
    }
}

其中的关键是 compareAndSet，它的简称就是 CAS （也有 Compare And Swap 的说法），它必须是原子操作。

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。

2-2 volatile

  • 获取共享变量时，为了保证该变量的可见性，需要使用 volatile 修饰。
  • 它可以用来修饰成员变量和静态成员变量，他可以避免线程从自己的工作缓存中查找变量的值，必须到主存中获取 它的值，线程操作 volatile 变量都是直接操作主存。即一个线程对 volatile 变量的修改，对另一个线程可见。

注意：

volatile 仅仅保证了共享变量的可见性，让其它线程能够看到新值，但不能解决指令交错问题（不能保证原子性）

CAS 必须借助 volatile 才能读取到共享变量的新值来实现【比较并交换】的效果

2-3 为什么无锁效率高

一般情况下，使用无锁比使用加锁的效率更高

  • 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。
  • 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。

2-4 CAS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：乐观的估计，不怕别的线程来修改共享变量，就算改了也没关系，我吃亏点再重试呗。
  • synchronized 是基于悲观锁的思想：悲观的估计，得防着其它线程来修改共享变量，我上了锁你们都别想改，我改完了解开锁，你们才有机会。
  • CAS 体现的是无锁并发、无阻塞并发
    • 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
    • 但如果竞争激烈，可以想到重试必然频繁发生，反而效率会受影响

3.原子整数

J.U.C 并发包提供了：

  • AtomicBoolean
  • AtomicInteger
  • AtomicLong

以 AtomicInteger 为例：

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）
// 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）
// 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（i = 0, p 为 i 的当前值, x 为参数1, 结果 i = 10, 返回 0）
// 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（i = 10, p 为 i 的当前值, x 为参数1, 结果 i = 0, 返回 0）
// 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));

4.原子引用

4-1 原子引用的使用

为什么需要原子引用类型？

  • AtomicReference
  • AtomicMarkableReference
  • AtomicStampedReference

有如下方法：

public interface DecimalAccount {
    BigDecimal getBalance();

    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(DecimalAccountImpl account) {
        List<Thread> ts = new ArrayList<>();
        long start = System.nanoTime();
        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();
            }
        });
        long end = System.nanoTime();
        System.out.println(account.getBalance() + " cost: " + (end - start) / 1000_000 + " ms");
    }
}

class DecimalAccountImpl implements DecimalAccount {
    //原子引用，泛型类型为小数类型
    AtomicReference<BigDecimal> balance;

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

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

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

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

4-2 ABA 问题及解决

ABA问题

因为CAS需要在操作值的时候，检查值有没有发生变化，如果没有发生变化则更新，但是如果一个值原来是A，变成了B，又变成了A，那么使用CAS进行检查时会发现它的值没有发生变化，但是实际上却变化了。ABA问题的解决思路就是使用版本号。在变量前面追加上版本号，每次变量更新的时候把版本号加1，那么A→B→A就会变成1A→2B→3A

从 Java 1.5开始，JDK的Atomic包里提供了一个类AtomicStampedReference来解决ABA问题。这个类的compareAndSet方法的作用是首先检查当前引用是否等于预期引用，并且检查当前标志是否等于预期标志，如果全部相等，则以原子方式将该引用和该标志的值设置为给定的更新值

AtomicStampedReference

@Slf4j
public class Test3 {
    static AtomicStampedReference<String> ref = new AtomicStampedReference<>("A", 0);

    public static void main(String[] args) {
        log.debug("main start...");
        // 获取值 A
        String prev = ref.getReference();
        // 获取版本号
        int stamp = ref.getStamp();
        log.debug("版本 {}", stamp);
        // 如果中间有其它线程干扰，发生了 ABA 现象
        other();
        sleep(1);
        // 尝试改为 C
        log.debug("change A->C {}", ref.compareAndSet(prev, "C", stamp, stamp + 1));

    }

    private static void other() {
        ref.compareAndSet(ref.getReference(), "B", ref.getStamp(), ref.getStamp() + 1);
        ref.compareAndSet(ref.getReference(), "A", ref.getStamp(), ref.getStamp() + 1);
    }
}
22:48:31 DEBUG [main] (Test3.java:16) - main start...
22:48:31 DEBUG [main] (Test3.java:21) - 版本 0
22:48:32 DEBUG [main] (Test3.java:26) - change A->C false

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

AtomicMarkableReference

class GarbageBag {
    String desc;

    public GarbageBag(String desc) {
        this.desc = desc;
    }

    public void setDesc(String desc) {
        this.desc = desc;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return super.toString() + " " + desc;
    }
}
@Slf4j
public class TestABAAtomicMarkableReference {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        GarbageBag bag = new GarbageBag("装满了垃圾");
        // 参数2 mark 可以看作一个标记，表示垃圾袋满了
        AtomicMarkableReference<GarbageBag> ref = new AtomicMarkableReference<>(bag, true);
        log.debug("主线程 start...");
        GarbageBag prev = ref.getReference();
        log.debug(prev.toString());
        new Thread(() -> {
            log.debug("打扫卫生的线程 start...");
            bag.setDesc("空垃圾袋");
            while (!ref.compareAndSet(bag, bag, true, false)) {}
            log.debug(bag.toString());
        }).start();
        Thread.sleep(1000);
        log.debug("主线程想换一只新垃圾袋？");
        boolean success = ref.compareAndSet(prev, new GarbageBag("空垃圾袋"), true, false);
        log.debug("换了么？" + success);
        log.debug(ref.getReference().toString());
    }
}

22:50:57 DEBUG [main] (Test5.java:14) - start...
22:50:57 DEBUG [main] (Test5.java:16) - xpp.day3.GarbageBag@ffa5d 装满了垃圾
22:50:57 DEBUG [保洁阿姨] (Test5.java:18) - start...
22:50:57 DEBUG Java高级工程师进阶学习：kafka应用场景


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