丨原子類無鎖工具的典范

其實對于簡單的原子性問題，還有一種無鎖方案。JaaDK并發(fā)包將這種無鎖方案封裝提煉之后，實現(xiàn)了一系列的原子類。不過，在深入介紹原子類的實現(xiàn)之前，我們先看看如何利用原子類解決累加器問題，這樣你會對原子類有個初步的認(rèn)識。在下面的代碼中，原來的long型變量count替換為了原子類AtomicLong，原來的count+=1替換成了count.getAndIncrement()，僅需要這兩處簡單的改動就能使add10K()方法變成線程安全的，原子類的使用還是挺簡單的。publicclassTestAtomicLongcountnewvoidadd10K()intidx=while(idx++<10000) 10無鎖方案相對互斥鎖方案，最大的好處就是性能?；コ怄i方案為了保證互斥性，需要執(zhí)行加鎖、操作，而加鎖、操作本身就消耗性能；同時拿不到鎖的線程還會進入阻塞狀態(tài)，進而觸發(fā)線程切換，線程切換對性能的消耗也很大。相比之下，無鎖方案則完全沒有加鎖、的性能消耗，同時還能保證互斥性，既解決了問題，又沒有帶來新的問題，可謂絕佳方案。那它是如何做到的呢？其實原子類性能高的很簡單，硬件支持而已。CPU為了解決并發(fā)問題，提供了CAS指令（CAS，全稱是CompareAndSwap，即“比較并交換”）。CAS指令包含3個參數(shù)：共享變量的內(nèi)存地址A、用于比較的值B和共享變量的新值C；并且只有當(dāng)內(nèi)存中地址A處的值等于B時，才能將內(nèi)存中地址A處的值更新為新值C。作為一條CPU指令，CAS指令本身是能夠保證原子性的。你可以通過下面CAS指令的模擬代碼來理解CAS的工作原理。在下面的模擬程序中有個參數(shù)，一個是期望值expect，另一個是需要寫入的新值newValue，只有當(dāng)目前的值和期望值expect相等時，才會將count更新為newValueclass2int3synchronizedint4intexpect,int5//讀目前count6intcurValue=7//比較目前count值是否==期望8if(curValue==9//如果是，則更新countcount=}//返回寫入前的return}}你仔細(xì)地再次思考一下這句話，“只有當(dāng)count值和期望值expect等時，才會將count更新為newValue。”要怎么理解這句話呢？對于前面提到的累加器的例子，count+=1的一個問題是：基于內(nèi)存中cout前值A(chǔ)計算出來的cont+=1為A+1，在將A+1寫入內(nèi)存的時候，很可能此時內(nèi)存中ount已經(jīng)被其他線程更新過了，這樣就會導(dǎo)致錯誤地覆蓋其他線程寫入的值（如果你覺得理解起來還有，建議你再重新看看《01|可見性、原子性和有序性問題：并發(fā)編程Bug的》）。也就是說，只有當(dāng)內(nèi)存中cont的值等于期望值A(chǔ)時，才能將內(nèi)存中ount的值更新為計算結(jié)果A+1，這不就是CAS的語義嗎！使用CAS來解決并發(fā)問題，一般都會伴隨著自旋，而所謂自旋，其實就是循環(huán)嘗試如，實現(xiàn)一個線程安全的count+=1操作，“CAS+自旋”的實現(xiàn)方案如下所示，首先計算newValue=count+1，如果cas(count,newValue)返回的值不等于count，則意味著線程在執(zhí)行完代碼①處之后，執(zhí)行代碼②處之前，count的值被其他線程更新過。那此時該怎么處理呢？可以采用自旋方案，就像下面代碼中展示的，可以重新讀count的值來計算newValue并嘗試再次更新，直到成功。classvolatileint345678923

count+=1donewValue=count+1;}while(countcas(count,newValue)}模擬實現(xiàn)CAS，僅用來幫助理解synchronizedintcas(intexpect,int//讀目前countintcurValue=//比較目前count值是否==期望if(curValue==//如果是，則更新countcount=}//返回寫入前的return}通過上面的示例代碼，想必你已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了，CAS這種無鎖方案，完全沒有加鎖、操作，即便兩個線程完全同時執(zhí)行addOe方法，也不會有線程被阻塞，所以相對于互斥鎖方案來說，性能好了很多。但是在CAS案中，有一個問題可能會常被你忽略，那就是ABA的問題。什么是ABA前面我們提到“如果cas(count,newValue回的值不等于count，意味著線程在執(zhí)行完代碼①處之后，執(zhí)行代碼②處之前，count的值被其他線程更新過”，那如果cas(count,newValue回的值等于count，是否就能夠認(rèn)為count值沒有被其他線程更新過呢？顯然不是的，假設(shè)count本是A，線程T1執(zhí)行完代碼①處之后，執(zhí)行代碼②處之前，有可能count被線程T2更新成了B，之后又被T3更新回了A，這樣線程T1雖然看到的一直是A，但是其實已經(jīng)被其他線程更新過了，這就是ABA問題。可能大多數(shù)情況下我們并不關(guān)心ABA問題，例如數(shù)值的原子遞增，但也不能所有情況下都不關(guān)心，例如原子化的更新對象很可能就需要關(guān)心ABA題，因為兩個A然相等，但是第二個A的屬性可能已經(jīng)發(fā)生變化了。所以在使用CAS方案的時候，一定要先check一看Javacount在本文開始部分，我們使用原子類AtomicLong的getAndIncrement()方法替代了count+=1，從而實現(xiàn)了線程安全。原子類AtomicLong的getAndIncrement()方法內(nèi)部就是基于CAS實現(xiàn)的，下面我們來看看Java是如何使用CAS來實現(xiàn)原子化的count+=1的在Java1.8版本中，getAndIncrement()方轉(zhuǎn)調(diào)unsafe.getAndAddLong()方法。這里this和valueOffset兩個參數(shù)可以唯一確定共享變量的內(nèi)存地址。finallonggetAndIncrement()returnthis,valueOffset,4unsafe.getAndAddLong()方法的源碼如下，該方法首先會在內(nèi)存中共享變量的值，之后循環(huán)調(diào)用compareAndSwapLong法來嘗試設(shè)置共享變量的值，直到成功為止。compareAndSwapLong()是一個native方法，只有當(dāng)內(nèi)存中共享變量的值等于expected時，才會將共享變量的值更新為x，并且返回true；否則返回fasle。compareAndSwapLong的語義和CAS指令的語義的差別僅僅是返回值不同而已。publicfinallongObjecto,longoffset,longlongdo//內(nèi)存中的v=getLongVolatile(o,}whileo,offset,v,v+return10//原子性地將變量更新為//條件是內(nèi)存中的值等于//更新成功則返回nativebooleanObjecto,longlonglong另外，需要你注意的是，geAnAdLong()方法的實現(xiàn)，基本上就是CAS使用的經(jīng)典范例。所以請你再次體會下面這段抽象后的代碼片段，它在很多無鎖程序中經(jīng)常出現(xiàn)。Jaa提供的原子類里面CAS一般被實現(xiàn)為comareAnet()，comareAndet的語義和CAS指令的語義的差別僅僅是返回值不同而已，omareAnSet()里面如果更新成功，則會返回re，否則返回false。do//獲取當(dāng)前oldV=//根據(jù)當(dāng)前值計算新newV=JavaDK并發(fā)包里提供的原子類內(nèi)容很豐富，我們可以將它們分為五個類別：原子化的基本數(shù)據(jù)類型、原子化的對象類型、原子化數(shù)組、原子化對象屬性更新器和原子化的累加器。這五個類別提供的方法基本上是相似的，并且每個類別都有若干原子類，你可以通過下面的原子類組成概覽圖來獲得一個全局的印象。下面我們詳細(xì)解讀這五個類別。原子類組成概覽原子化的基本相關(guān)實現(xiàn)有AtomicBoolean、AtomicIntegerAtomicLong，提供的方法主要有以下這些，詳情你可以參考SDK的源代碼，都很簡單，這里就不詳細(xì)介紹了。getAndIncrement()//原子化getAndDecrement()//原子化的iincrementAndGet()//原子化的decrementAndGet()//原子化的--//當(dāng)前值+=delta，返回+=//當(dāng)前值+=delta，返回+=//CAS操作compareAndSet(expect,//以下四個方//新值可以通過傳入func函數(shù)來計原子化的對象類相關(guān)實現(xiàn)有AtomicReference、AtomicStampedReference和AtomicReference供的方法和原子化的基本數(shù)據(jù)類型差不多，這里不再贅述。不過需要注意的是，對象的更新需要重點關(guān)注ABA問題，AtomicStampedReference和AtomicMarkableReference這兩個原子類可以解決ABA問題。解決ABA問題的思路其實很簡單，增加一個版本號維度就可以了，這個和我們在《18|tampedLock：有沒有比讀寫鎖更快的鎖？》介紹的樂觀鎖機制很類似，每次執(zhí)行CAS操作，附加再更新一個版本號，只要保證版本號是遞增的，那么即便A變成B之后再變回A，版本號也不會變回來（版本號遞增的）。AtomicSamedReferene實現(xiàn)的CAS方法就增加了版本號參數(shù)，方法簽名如下：booleanVVintintAtomicMarkableReference實現(xiàn)機制則更簡單，將版本號簡化成了一個Boolean，booleanVVbooleanboolean原子化相關(guān)實現(xiàn)有AtomicIntegerArray、AtomicLongArray和AtomicReferenceArray，利用基本數(shù)據(jù)類型的區(qū)別僅僅是：每個方法多了一個數(shù)組的索引參數(shù)，所以這里也不再贅述了原子化對象屬相關(guān)實現(xiàn)有AtomicIegerFieldUpaer、AtomicLonFielUpaer和AtomicRefereeFieldUpdater，利用它們可以原子化地更新對象的屬性，這三個方法都是利用反射機制實現(xiàn)的，創(chuàng)建更新器的方法如下：publicstaticnewUpdater(Class<U>String需要注意的是，對象屬性必須是volatile類型的，才能保證可見性；如果對象屬性不是volatile類型的，newUpdater()方拋出IllegalArgumentException這個運行你會發(fā)現(xiàn)newUpdater()的方法參數(shù)只有類的信息，沒有對象的，而更新對象的性，一定需要對象的，那這個參數(shù)是在哪里傳入的呢？是在原子操作的方法參數(shù)中傳入的。例如omareAnet()這個原子操作，相比原子化的基本數(shù)據(jù)類型多了一個對象oj。原子化對象屬性更新器相關(guān)的方法，相比原子化的基本數(shù)據(jù)類型僅僅是多了對象參數(shù)，所以這里也不再贅述了。booleanTintint原子化DoubleAccumulator、DoubleAdder、LongAccumulatorLongAdder，這四個類僅compareAndSet()方法。如果你僅僅需要累加操作，使用原子化的累加器性能會更好。無鎖方案相對于互斥鎖方案，優(yōu)點非常多，首先性能好，其次是基本不會出現(xiàn)死鎖問題（但可能出現(xiàn)饑餓和活鎖問題，因為自旋會反復(fù)重試）。Jaa提供的原子類大部分都實現(xiàn)了omareAnet()方法，基于compareAnet()方法，你可以構(gòu)建自己的無鎖數(shù)據(jù)結(jié)Java提供的原子類能夠解決一些簡單的原子性問題，但你可能會發(fā)現(xiàn)，上面我們所有原子類的方法都是針對一個共享變量的，如果你需要解決多個變量的原子性問題，建議還是使用互斥鎖方案。原子類雖好，但使用要慎之又慎。下面的示例代碼是合理庫存的原子化實現(xiàn)，僅實現(xiàn)了設(shè)置庫存上限setUpper法，你覺得setUpper()方法的實現(xiàn)是否正確呢？publicclassSafeWMclassfinalintfinalintWMRange(intupper,int//省略構(gòu)造函數(shù)} finalrf=newnew //設(shè)置庫存上voidsetUpper(intWMRangeWMRangeor=//檢查if(v<thrownew nr=WMRange(v, pareAndSet(or, 26覺得這篇文章對你有幫助的話，也歡迎把它給的朋友。 不得售賣。頁面已增加防盜追蹤，將依 上一 20|并發(fā)容器：都有哪些“坑”需要我們填下一 22|Executor與線程池：如何創(chuàng)建正確的線程池精