JUC学习之无锁---乐观锁(非阻塞)

Posted 2022-01-24 大忽悠爱忽悠

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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JUC学习之无锁---乐观锁(非阻塞)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

CAS 与 volatile

问题提出

有如下需求，保证 account.withdraw 取款方法的线程安全

package cas;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

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++)
  
   //加入1000个线程，每个线程启动都执行取款10元的方法
   ts.add(new Thread(() -> 
    account.withdraw(10);
   ));
  
 //启动1000个线程
  ts.forEach(Thread::start);

  ts.forEach(t -> 
   try 
    //等待每一个线程执行结束
    t.join();
    catch (InterruptedException e) 
    e.printStackTrace();
   
  );

  long end = System.nanoTime();
  System.out.println(account.getBalance()
          + " cost: " + (end - start) / 1000_000 + " ms");

Java8新特性——接口静态方法

执行测试代码

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

某次的执行结果

400 cost: 217 ms

为什么不安全

withdraw 方法

public void withdraw(Integer amount) 
 balance -= amount;

对应的字节码

ALOAD 0 // <- this
ALOAD 0 
GETFIELD cn/itcast/AccountUnsafe.balance : Ljava/lang/Integer; // <- this.balance
INVOKEVIRTUAL java/lang/Integer.intValue ()I // 拆箱
ALOAD 1 // <- amount
INVOKEVIRTUAL java/lang/Integer.intValue ()I // 拆箱
ISUB // 减法
INVOKESTATIC java/lang/Integer.valueOf (I)Ljava/lang/Integer; // 结果装箱
PUTFIELD cn/itcast/AccountUnsafe.balance : Ljava/lang/Integer; // -> this.balance

多线程执行流程

ALOAD 0 // thread-0 <- this 
ALOAD 0 
GETFIELD cn/itcast/AccountUnsafe.balance // thread-0 <- this.balance 
INVOKEVIRTUAL java/lang/Integer.intValue // thread-0 拆箱
ALOAD 1 // thread-0 <- amount 
INVOKEVIRTUAL java/lang/Integer.intValue // thread-0 拆箱
ISUB // thread-0 减法
INVOKESTATIC java/lang/Integer.valueOf // thread-0 结果装箱
PUTFIELD cn/itcast/AccountUnsafe.balance // thread-0 -> this.balance 

ALOAD 0 // thread-1 <- this 
ALOAD 0 
GETFIELD cn/itcast/AccountUnsafe.balance // thread-1 <- this.balance 
INVOKEVIRTUAL java/lang/Integer.intValue // thread-1 拆箱
ALOAD 1 // thread-1 <- amount 
INVOKEVIRTUAL java/lang/Integer.intValue // thread-1 拆箱
ISUB // thread-1 减法
INVOKESTATIC java/lang/Integer.valueOf // thread-1 结果装箱
PUTFIELD cn/itcast/AccountUnsafe.balance // thread-1 -> this.balance

单核的指令交错
多核的指令交错

不懂指令交错的，回看这篇文章

解决思路-锁

首先想到的是给 Account 对象加锁

class AccountUnsafe implements Account 
 private Integer balance;

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

 @Override
 public Integer getBalance() 
  return balance;
 

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

结果为

0 cost: 399 ms

解决思路-无锁

class AccountUnsafe implements Account 
 private AtomicInteger balance;

 public AccountUnsafe(Integer balance) 
  this.balance = new AtomicInteger(balance);
 

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

 @Override
 public synchronized void withdraw(Integer amount)
 
  while (true) 
   int prev = balance.get();
   int next = prev - amount;
   if (balance.compareAndSet(prev, next)) 
    break;
   
  
  // 可以简化为下面的方法
  // balance.addAndGet(-1 * amount);

测试结果

0 cost: 106 ms

CAS 与 volatile

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？

package cas;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

class AccountUnsafe implements Account 
 private AtomicInteger balance;

 public AccountUnsafe(Integer balance) 
  this.balance = new AtomicInteger(balance);
 

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

 public void withdraw(Integer amount) 
   // 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。

慢动作分析

package cas;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

@Slf4j
public class SlowMotion 
 public static void main(String[] args) 
 
  
  AtomicInteger balance = new AtomicInteger(10000);
  int mainPrev = balance.get();
  log.debug("try get ", mainPrev);
  
  new Thread(() -> 
  
   sleep(1000);
   int prev = balance.get();
   balance.compareAndSet(prev, 9000);
   log.debug(balance.toString());
  , "t1").start();
  
  sleep(2000);
  
  log.debug("try set 8000...");
  
  boolean isSuccess = balance.compareAndSet(mainPrev, 8000);
  
  log.debug("is success ? ", isSuccess);
  
  if (!isSuccess) 
  
   mainPrev = balance.get();
   log.debug("try set 8000...");
   isSuccess = balance.compareAndSet(mainPrev, 8000);
   log.debug("is success ? ", isSuccess);
  
 

 private static void sleep(int millis) 
  try 
   Thread.sleep(millis);
   catch (InterruptedException e) 
   e.printStackTrace();

输出结果

2019-10-13 11:28:37.134 [main] try get 10000 
2019-10-13 11:28:38.154 [t1] 9000 
2019-10-13 11:28:39.154 [main] try set 8000... 
2019-10-13 11:28:39.154 [main] is success ? false 
2019-10-13 11:28:39.154 [main] try set 8000... 
2019-10-13 11:28:39.154 [main] is success ? true

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最新值，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最新值来实现【比较并交换】的效果

为什么无锁效率高

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。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(线程数多于cpu核心数)，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：最乐观的估计，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：最悲观的估计，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，请仔细体会这两句话的意思
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

原子类

原子整数–AtomicInteger

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));

updateAndGet方法剖析

模拟实现一下:

    //Unary是一元的意思，表示只有一个参数
    private int updateAndGet(AtomicInteger i,IntUnaryOperator intUnaryOperator)
    
        while(true)
        
            //修改之前的旧值
            int prev=i.get();
            //修改后的新值
            int next=intUnaryOperator.applyAsInt(prev);
            //比较当前值和是否被其他线程修改
            if(i.compareAndSet(prev,next))
            
                return next;

源码:

原子引用–AtomicReference

为什么需要原子引用类型？

AtomicReference
AtomicMarkableReference
AtomicStampedReference

有如下方法

package aotic;

import java.math.BigDecimal;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public 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());

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