Java 高并发四:无锁详细介绍
在[高并发Java一]前言中已经提到了无锁的概念,由于在jdk源码中有大量的无锁应用,所以在这里介绍下无锁。
1无锁类的原理详解
1.1CAS
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。
1.2CPU指令
CAS的CPU指令是cmpxchg
指令代码如下:
/* accumulator=AL,AX,orEAX,dependingonwhether abyte,word,ordoublewordcomparisonisbeingperformed */ 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
publicclassAtomicIntegerextendsNumberimplementsjava.io.Serializable
AtomicInteger里面有很多CAS操作,典型的有:
publicfinalbooleancompareAndSet(intexpect,intupdate){
returnunsafe.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
static{ try{ valueOffset=unsafe.objectFieldOffset (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value")); }catch(Exceptionex){thrownewError(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。
publicfinalintgetAndIncrement(){ for(;;){ intcurrent=get(); intnext=current+1; if(compareAndSet(current,next)) returncurrent; } }
2.2Unsafe
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
publicclassAtomicReference<V> implementsjava.io.Serializable
它可以用来封装任意类型的数据。
比如String
packagetest; importjava.util.concurrent.atomic.AtomicReference; publicclassTest { publicfinalstaticAtomicReference<String>atomicString=newAtomicReference<String>("hosee"); publicstaticvoidmain(String[]args) { for(inti=0;i<10;i++) { finalintnum=i; newThread(){ publicvoidrun(){ try { Thread.sleep(Math.abs((int)Math.random()*100)); } catch(Exceptione) { e.printStackTrace(); } if(atomicString.compareAndSet("hosee","ztk")) { System.out.println(Thread.currentThread().getId()+"Changevalue"); }else{ System.out.println(Thread.currentThread().getId()+"Failed"); } }; }.start(); } } }
结果:
10Failed
13Failed
9Changevalue
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
publicfinalintincrementAndGet(){ for(;;){ intcurrent=get(); intnext=current+1; if(compareAndSet(current,next)) returnnext; } }
假设当前value=1当某线程intcurrent=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。
privatestaticclassPair<T>{ finalTreference; finalintstamp; privatePair(Treference,intstamp){ this.reference=reference; this.stamp=stamp; } static<T>Pair<T>of(Treference,intstamp){ returnnewPair<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。
//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
publicbooleancompareAndSet(VexpectedReference, VnewReference, intexpectedStamp, intnewStamp){ 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。
packagetest; importjava.util.concurrent.atomic.AtomicStampedReference; publicclassTest { staticAtomicStampedReference<Integer>money=newAtomicStampedReference<Integer>( 19,0); publicstaticvoidmain(String[]args) { for(inti=0;i<3;i++) { finalinttimestamp=money.getStamp(); newThread() { publicvoidrun() { while(true) { while(true) { Integerm=money.getReference(); if(m<20) { if(money.compareAndSet(m,m+20,timestamp, timestamp+1)) { System.out.println("充值成功,余额:" +money.getReference()); break; } } else { break; } } } }; }.start(); } newThread() { publicvoidrun() { for(inti=0;i<100;i++) { while(true) { inttimestamp=money.getStamp(); Integerm=money.getReference(); if(m>10) { if(money.compareAndSet(m,m-10,timestamp, timestamp+1)) { System.out.println("消费10元,余额:" +money.getReference()); break; } }else{ break; } } try { Thread.sleep(100); } catch(Exceptione) { //TODO:handleexception } } }; }.start(); } }
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:
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AtomicInteger来实现就会造成多次充值。
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。
publicfinalbooleancompareAndSet(inti,intexpect,intupdate){
returncompareAndSetRaw(checkedByteOffset(i),expect,update);
}
它的内部只是封装了一个普通的array
privatefinalint[]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。
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。
packagetest; importjava.util.concurrent.atomic.AtomicInteger; importjava.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerFieldUpdater; publicclassTest { publicstaticclassV{ intid; volatileintscore; publicintgetScore() { returnscore; } publicvoidsetScore(intscore) { this.score=score; } } publicfinalstaticAtomicIntegerFieldUpdater<V>vv=AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(V.class,"score"); publicstaticAtomicIntegerallscore=newAtomicInteger(0); publicstaticvoidmain(String[]args)throwsInterruptedException { finalVstu=newV(); Thread[]t=newThread[10000]; for(inti=0;i<10000;i++) { t[i]=newThread(){ @Override publicvoidrun() { if(Math.random()>0.4) { vv.incrementAndGet(stu); allscore.incrementAndGet(); } } }; t[i].start(); } for(inti=0;i<10000;i++) { t[i].join(); } System.out.println("score="+stu.getScore()); System.out.println("allscore="+allscore); } }
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)。