并发--无锁(cas+volatile)

2021-12-26 本文已影响0人 zhemehao819

本章内容：

CAS 与 volatile
原子整数
原子引用
原子累加器
Unsafe

1、问题提出

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) {
        balance -= amount;
    }
}

扣款方法withdraw 方法不安全，当有多线程访问共享变量balance，不能保证原子性。

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 synchronized Integer getBalance() {
        return balance;
    }

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

可以解决问题，但每次扣款都要加锁，效率太低。

解决思路-无锁

class AccountSafe implements Account {
    private AtomicInteger balance;

    public AccountSafe(Integer 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();
            int next = prev - amount;
            if (balance.compareAndSet(prev, next)) {
                break;
            }
        }
        // 可以简化为下面的方法
        // balance.addAndGet(-1 * amount);
    }
}

执行测试代码

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

2、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?

    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。

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。
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，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

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

为什么需要原子引用类型?

AtomicReference
AtomicMarkableReference
AtomicStampedReference

安全实现-使用锁

class DecimalAccountSafeLock implements DecimalAccount {
    private final Object lock = new Object();
    BigDecimal balance;

    public DecimalAccountSafeLock(BigDecimal balance) {
        this.balance = balance;
    }

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

    @Override
    public void withdraw(BigDecimal amount) {
        synchronized (lock) {
            BigDecimal balance = this.getBalance();
            this.balance = balance.subtract(amount);
        }
    }
}

安全实现-使用 CAS

class DecimalAccountSafeCas implements DecimalAccount {
    AtomicReference<BigDecimal> ref;

    public DecimalAccountSafeCas(BigDecimal balance) {
        ref = new AtomicReference<>(balance);
    }

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

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

ABA 问题及解决

ABA问题

    static AtomicReference<String> ref = new AtomicReference<>("A");

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        log.debug("main start...");
        // 获取值 A
        // 这个共享变量被它线程修改过?
        String prev = ref.get();
        other();
        sleep(1);
        // 尝试改为 C
        log.debug("change A->C {}", ref.compareAndSet(prev, "C"));
    }

    private static void other() {
        new Thread(() -> {
            log.debug("change A->B {}", ref.compareAndSet(ref.get(), "B"));
        }, "t1").start();
        sleep(0.5);
        new Thread(() -> {
            log.debug("change B->A {}", ref.compareAndSet(ref.get(), "A"));
        }, "t2").start();
    }

输出

11:29:52.325 c.Test36 [main] - main start... 
11:29:52.379 c.Test36 [t1] - change A->B true 
11:29:52.879 c.Test36 [t2] - change B->A true 
11:29:53.880 c.Test36 [main] - change A->C true

主线程仅能判断出共享变量的值与最初值 A 是否相同，不能感知到这种从 A 改为 B 又改回 A 的情况，如果主线程希望:

只要有其它线程【动过了】共享变量，那么自己的 cas 就算失败，这时，仅比较值是不够的，需要再加一个版本号

AtomicStampedReference

    static AtomicStampedReference<String> ref = new AtomicStampedReference<>("A", 0);

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        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() {
        new Thread(() -> {
            log.debug("change A->B {}", ref.compareAndSet(ref.getReference(), "B", ref.getStamp(), ref.getStamp() + 1));
            log.debug("更新版本为 {}", ref.getStamp());
        }, "t1").start();
        sleep(0.5);
        new Thread(() -> {
            log.debug("change B->A {}", ref.compareAndSet(ref.getReference(), "A", ref.getStamp(), ref.getStamp() + 1));
            log.debug("更新版本为 {}", ref.getStamp());
        }, "t2").start();
    }

输出

15:41:34.891 c.Test36 [main] - main start... 
15:41:34.894 c.Test36 [main] - 版本 0 
15:41:34.956 c.Test36 [t1] - change A->B true 
15:41:34.956 c.Test36 [t1] - 更新版本为 1 
15:41:35.457 c.Test36 [t2] - change B->A true 
15:41:35.457 c.Test36 [t2] - 更新版本为 2 
15:41:36.457 c.Test36 [main] - 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;
    }
}

    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());
    }

5、原子数组

AtomicIntegerArray
AtomicLongArray
AtomicReferenceArray

有如下方法：

    /**
     * 参数1，提供数组、可以是线程不安全数组或线程安全数组
     * 参数2，获取数组长度的方法
     * 参数3，自增方法，回传 array, index
     * 参数4，打印数组的方法
     */
    // supplier 提供者 无中生有 ()->结果
    // function 函数   一个参数一个结果 (参数)->结果 , BiFunction (参数1,参数2)->结果
    // consumer 消费者 一个参数没结果   (参数)->void,  BiConsumer (参数1,参数2)->
    private static <T> void demo(
            Supplier<T> arraySupplier,
            Function<T, Integer> lengthFun,
            BiConsumer<T, Integer> putConsumer,
            Consumer<T> printConsumer) {

        List<Thread> ts = new ArrayList<>();
        T array = arraySupplier.get();
        int length = lengthFun.apply(array);
        for (int i = 0; i < length; i++) {
            // 每个线程对数组作 10000 次操作 
            ts.add(new Thread(() -> {
            BiConsumer(参数1, 参数2)->
                for (int j = 0; j < 10000; j++) {
                    putConsumer.accept(array, j % length);
                }
        }));
    }

    ts.forEach(t ->t.start()); // 启动所有线程
    ts.forEach(t -> {
        try {
            t.join();
        } catch(InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        // 等所有线程结束 printConsumer.accept(array);
    }

不安全的数组

demo(
  ()->new int[10],
  (array)->array.length,
  (array, index) -> array[index]++,
  array-> System.out.println(Arrays.toString(array))
);

结果

[9870, 9862, 9774, 9697, 9683, 9678, 9679, 9668, 9680, 9698]

安全的数组

demo(
  ()-> new AtomicIntegerArray(10),
  (array) -> array.length(),
  (array, index) -> array.getAndIncrement(index),
  array -> System.out.println(array)
);

结果

[10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000]

字段更新器

可以针对对象的某个域(Field)进行原子操作，只能配合 volatile 修饰的字段使用，否则会出现异常。

原子累加器

略。。

Unsafe

概述

Unsafe 对象提供了非常底层的，操作内存、线程的方法，Unsafe 对象不能直接调用，只能通过反射获得

public class UnsafeAccessor {
    static Unsafe unsafe;

    static {
        try {
            Field theUnsafe = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
            theUnsafe.setAccessible(true);
            unsafe = (Unsafe) theUnsafe.get(null);
        } catch (NoSuchFieldException | IllegalAccessException e) {
            throw new Error(e);
        }
    }

    static Unsafe getUnsafe() {
        return unsafe;
    }
}

查看Unsafe源码，"theUnsafe"是里面的一个静态变量。

Unsafe CAS 操作

@Data
class Student {
    volatile int id;
    volatile String name;
}

public class Test2 {
    Unsafe unsafe = UnsafeAccessor.getUnsafe();
    Field id = Student.class.getDeclaredField("id");
    Field name = Student.class.getDeclaredField("name");

    // 获得成员变量的偏移量
    long idOffset = UnsafeAccessor.unsafe.objectFieldOffset(id);
    long nameOffset = UnsafeAccessor.unsafe.objectFieldOffset(name);
    Student student = new Student();
    // 使用 cas 方法替换成员变量的值
    UnsafeAccessor.unsafe.compareAndSwapInt(student,idOffset,0,20); // 返回 true
    UnsafeAccessor.unsafe.compareAndSwapObject(student, nameOffset, null, "张三"); // 返回 true
    
    System.out.println(student);
}

输出：

Student(id=20, name=张三)

使用自定义的 AtomicData 实现之前线程安全的原子整数 Account 实现

class AtomicData {
    private volatile int data;
    static final Unsafe unsafe;
    static final long DATA_OFFSET;

    static {
        unsafe = UnsafeAccessor.getUnsafe();
        try {
            // data 属性在 DataContainer 对象中的偏移量，用于 Unsafe 直接访问该属性
            DATA_OFFSET = unsafe.objectFieldOffset(AtomicData.class.getDeclaredField("data"));
        } catch (NoSuchFieldException e) {
            throw new Error(e);
        }
    }

    public AtomicData(int data) {
        this.data = data;
    }

    public void decrease(int amount) {
        int oldValue;
        while (true) {
            // 获取共享变量旧值，可以在这一行加入断点，修改 data 调试来加深理解
            oldValue = data;
            // cas 尝试修改 data 为 旧值 + amount，如果期间旧值被别的线程改了，返回 false
            if (unsafe.compareAndSwapInt(this, DATA_OFFSET, oldValue, oldValue - amount)) {
                return;
            }
        }
    }

    public int getData() {
        return data;
    }
}

Account 实现：

Account.demo(new Account(){
        AtomicData atomicData=new AtomicData(10000);
        
        @Override
        public Integer getBalance() {
            return atomicData.getData();
        }

        @Override
        public void withdraw(Integer amount){
            atomicData.decrease(amount);
        }
});