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聊聊并发（六）
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一、原子类
1、CAS算法
强烈建议读者看这篇之前，先看这篇 初识JUC 的前两节，对原子性，原子变量，内存可见性有一个初步认识。 CAS（Compare and Swap）是一种硬件对并发的支持，针对多处理器操作而设计的处理器中的一种特殊指令，用于管理对共享数据的并发访问，是硬件对于并发操作共享数据的支持。它是一个原子性的操作，对应到CPU指令为cmpxchg。它是一条CPU并发原语。 CAS包含了3个操作数：内存值V，比较值A，更新值B。当且仅当V == A时，V = B，否则不执行任何操作。 CAS算法：当多个线程并发的对主存中的数据进行修改的时候。有且只有一个线程会成功，其他的都会失败（同时操作，只是会失败而已，并不会被锁之类的）。 CAS是一种无锁的非阻塞算法，是乐观锁的一种实现。不存在上下文切换的问题。 CAS比普通同步锁效率高，原因：CAS算法当这一次不成功的时候，它下一次不会阻塞，也就是它不会放弃CPU的执行权，它可以立即再次尝试，再去更新。 通俗的说：我要将变量 i 由 2 修改为 3。当内存中 i == 2，且修改成功，才为成功。若内存中 i 由于其他线程的操作已经不是 2 了，那此次我的修改视为失败。 2、简单使用JDK 1.5 以后java.util.concurrent.atomic包下提供了常用的原子变量。它支持单个变量上的无锁线程安全编程。这些原子变量具备以下特点：volatile的内存可见性；CAS算法保证数据的原子性。 atomic包描述：图片来源API文档
代码示例：原子变量使用 1 public class Main { 2 public static void main(String[] args) { 3 AtomicInteger integer = new AtomicInteger(2); 4 5 boolean b = integer.compareAndSet(3, 5); 6 System.out.println(b); 7 System.out.println(integer.get()); 8 9 b = integer.compareAndSet(2, 10); 10 System.out.println(b); 11 System.out.println(integer.get()); 12 13 // 等价于 i++ 14 integer.getAndIncrement(); 15 16 // 等价于 ++i 17 integer.incrementAndGet(); 18 } 19 } 20 21 // 结果 22 false 23 2 24 true 25 10分析：很简单，设置初始值为 2。 ①由 3 修改成5，而设置初始值内存值为2，所以修改失败，返回false。 ②由 2 修改成10，初始值内存值为2，所以修改成功，返回true。 3、源码分析这些原子变量底层就是通过CAS算法来保证数据的原子性。 源码示例：AtomicInteger 类 1 public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable { 2 private static final long serialVersionUID = 6214790243416807050L; 3 4 // setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updates 5 private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe(); 6 private static final long valueOffset; 7 8 // 获取value在内存的地址偏移量 9 static { 10 try { 11 valueOffset = unsafe.objectFieldOffset 12 (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value")); 13 } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); } 14 } 15 16 private volatile int value; 17 18 public AtomicInteger(int initialValue) { 19 value = initialValue; 20 } 21 22 public AtomicInteger() { 23 } 24 25 public final int get() { 26 return value; 27 } 28 29 public final void set(int newValue) { 30 value = newValue; 31 } 32 33 public final boolean compareAndSet(int expect, int update) { 34 return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update); 35 } 36 37 public final int getAndIncrement() { 38 return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1); 39 } 40 41 public final int incrementAndGet() { 42 return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1; 43 } 44 45 }说明：public final boolean compareAndSet(int expect, int update) 变量valueOffset：通过静态代码块获取变量value在内存中的偏移地址。 变量value：用volatile修饰，这里体现了"多线程之间的内存可见性"。 this：即 AtomicInteger 对象本身。 很容易理解：就是将当前对象 this 的变量value，由期望值 expect 修改为 update。 源码示例：Unsafe 类 1 public final class Unsafe { 2 3 public native void throwException(Throwable var1); 4 5 public final native boolean compareAndSwapObject(Object var1, long var2, Object var4, Object var5); 6 7 public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5); 8 9 public final native boolean compareAndSwapLong(Object var1, long var2, long var4, long var6); 10 11 public native int getIntVolatile(Object var1, long var2); 12 13 14 public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) { 15 int var5; 16 do { 17 // 获取对象var1的变量var2的内存值 18 var5 = this.getIntVolatile(var1, var2); 19 } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4)); 20 21 return var5; 22 } 23 24 }Unsafe是CAS的核心类，其所有方法都是native修饰的。也就是说Unsafe类中的方法都直接调用操作系统底层资源执行相应任务，是由C/C++编写的本地方法。CAS算法的实现，也是由Unsafe类通过调用本地方法直接操作特定内存数据来实现的。 getAndIncrement()方法能够在多线程环境保证变量的原子性自增。但源码中，并没有加synchronized或者lock锁，那么，它是如何保证的呢？其实很简单：
先获取一次变量的内存值，然后通过CAS算法进行比较更新。失败了就一直不停的重试，是一个循环的过程，这个过程也称作自旋。 这就是为什么 AtomicInteger 的自增操作具备原子性。 1 private AtomicInteger i = new AtomicInteger(); 2 public int getI() { 3 return i.getAndIncrement(); 4 } 4、CAS的缺点（1）ABA问题。 （2）循环时间变长：高并发情况下，使用CAS可能会存在一些线程一直循环修改不成功，导致循环时间变长，这会给CPU带来很大的执行开销。由于AtomicInteger中的变量是volatile的，为了保证内存可见性，需要保证缓存一致性，通过总线传输数据，当有大量的CAS循环时，会产生总线风暴。 （3）只能保证一个变量的原子操作：如果需要保证多个变量操作的原子性，是做不到的。对于这种情况只能使用synchronized或者juc包中的Lock工具。 二、ABA问题 1、介绍
代码示例：演示ABA问题 1 // 原子引用类演示ABA问题 2 public class ABATest { 3 public static void main(String[] args) throws InterruptedException { 4 AtomicReference reference = new AtomicReference("A"); 5 6 // 线程 t1 由A修改B,又由B修改A 7 new Thread(() -> { 8 System.out.println(reference.compareAndSet("A", "B") + ". " + Thread.currentThread().getName() + " value is:" + reference.get()); 9 System.out.println(reference.compareAndSet("B", "A") + ". " + Thread.currentThread().getName() + " value is:" + reference.get()); 10 }, "t1").start(); 11 12 13 new Thread(() -> { 14 // 让t1线程完成ABA操作 15 try { 16 Thread.sleep(500); 17 } catch (InterruptedException e) { 18 e.printStackTrace(); 19 } 20 System.out.println(reference.compareAndSet("A", "C") + ". " + Thread.currentThread().getName() + " value is:" + reference.get()); 21 22 }, "t2").start(); 23 24 Thread.sleep(1000); 25 26 System.out.println(reference.get()); 27 } 28 } 29 30 // 结果 31 true. t1 value is:B 32 true. t1 value is:A 33 true. t2 value is:C 34 C如何理解ABA问题？ 可能你会觉得，线程 t2 不就是要将"A"改为"C"嘛，虽然中间变化了，但对 t2 也没影响呀！ 比如：你的银行卡里有10w，中间你领了工资1w，然后，又被扣除还了房贷1w，此时，你的银行卡里还是10w。虽然结果没变，但余额已经不是原来的余额了。而且，你一定在意中间你的钱去哪里了，所以是不一样的。 再比如：对于公司财务来说，可能某一时刻，账户是100w，你偷偷挪用了公款20w，后来又悄悄补上了。虽然结果没变，但中间的记账明细，其实我们是关心的，因为这个时候你已经犯法了。 2、解决带时间戳的原子引用：Java提供了AtomicStampedReference来解决ABA问题。其实其实就是加了版本号，每一次的修改，版本号都 +1。比对的是 内存值 + 版本号 是否一致。 代码示例：解决ABA问题 1 public class ABATest { 2 public static void main(String[] args) throws InterruptedException { 3 4 AtomicStampedReference reference = new AtomicStampedReference("A", 1); 5 final int stamp = reference.getStamp(); 6 7 // 线程 t1 由A修改B,又由B修改A 8 new Thread(() -> { 9 System.out.println(reference.compareAndSet("A", "B", stamp, stamp + 1) + ". " + Thread.currentThread().getName() + " value is:" + reference.getReference()); 10 System.out.println(reference.compareAndSet("B", "A", reference.getStamp(), reference.getStamp() + 1) + ". " + Thread.currentThread().getName() + " value is:" + reference.getReference()); 11 }, "t1").start(); 12 13 14 new Thread(() -> { 15 // 让t1线程完成ABA操作 16 try { 17 Thread.sleep(500); 18 } catch (InterruptedException e) { 19 e.printStackTrace(); 20 } 21 System.out.println(reference.compareAndSet("A", "C", stamp, stamp + 1) + ". " + Thread.currentThread().getName() + " value is:" + reference.getReference()); 22 23 }, "t2").start(); 24 25 Thread.sleep(1000); 26 27 System.out.println(reference.getReference()); 28 } 29 } 30 31 // 结果 32 true. t1 value is:B 33 true. t1 value is:A 34 false. t2 value is:A // t2并没有修改成功 35 AcompareAndSet()方法的 4 个参数： expectedReference：表示期望的引用值 newReference：表示要修改后的新引用值 expectedStamp：表示期望的戳（版本号） newStamp：表示修改后新的戳（版本号） 3、源码分析 1 public class AtomicStampedReference { 2 3 private static class Pair { 4 final T reference; 5 final int stamp; 6 private Pair(T reference, int stamp) { 7 this.reference = reference; 8 this.stamp = stamp; 9 } 10 static Pair of(T reference, int stamp) { 11 return new Pair(reference, stamp); 12 } 13 } 14 15 public boolean compareAndSet(V expectedReference, 16 V newReference, 17 int expectedStamp, 18 int newStamp) { 19 Pair current = pair; 20 return 21 expectedReference == current.reference && 22 expectedStamp == current.stamp && 23 ((newReference == current.reference && 24 newStamp == current.stamp) || 25 casPair(current, Pair.of(newReference, newStamp))); 26 } 27 28 private boolean casPair(Pair cmp, Pair val) { 29 return UNSAFE.compareAndSwapObject(this, pairOffset, cmp, val); 30 } 31 }很简单，维护了一对Pair，里面除了引用reference，还有一个int类型的戳（版本号）。比较更新的时候，两个变量都要比较。 三、LongAdder 1、介绍《阿里巴巴Java开发手册》推荐使用LongAdder。
AtomicLong，本质上是多个线程同时操作同一个目标资源，有且只有一个线程执行成功，其他线程都会失败，不断重试（自旋），自旋会成为瓶颈。 而LongAdder的思想就是把要操作的目标资源[分散]到数组Cell中，每个线程对自己的Cell变量的value进行原子操作，大大降低了失败的次数。 这就是为什么在高并发场景下，推荐使用LongAdder的原因。
参考文档：https://www.matools.com/api/java8 《阿里巴巴Java开发手册》百度网盘：https://pan.baidu.com/s/1aWT3v7Efq6wU3GgHOqm-CA 密码: uxm8 |
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