Java多執行緒-無鎖

1 無鎖類的原理詳解

1.1 CAS

CAS演算法的過程是這樣：它包含3個引數CAS(V,E,N)。V表示要更新的變數，E表示預期值，N表示新值。僅當V

值等於E值時，才會將V的值設為N，如果V值和E值不同，則說明已經有其他執行緒做了更新，則當前執行緒什麼

都不做。最後，CAS返回當前V的真實值。CAS操作是抱著樂觀的態度進行的，它總是認為自己可以成功完成

操作。當多個執行緒同時使用CAS操作一個變數時，只有一個會勝出，併成功更新，其餘均會失敗。失敗的執行緒

不會被掛起，僅是被告知失敗，並且允許再次嘗試，當然也允許失敗的執行緒放棄操作。基於這樣的原理，CAS

操作即時沒有鎖，也可以發現其他執行緒對當前執行緒的干擾，並進行恰當的處理。

我們會發現，CAS的步驟太多，有沒有可能在判斷V和E相同後，正要賦值時，切換了執行緒，更改了值。造成了資料不一致呢？

事實上，這個擔心是多餘的。CAS整一個操作過程是一個原子操作，它是由一條CPU指令完成的。

1.2 CPU指令

CAS的CPU指令是cmpxchg

指令程式碼如下：

        /*
        accumulator = AL, AX, or EAX,depending on whether
        a byte, word, or doublewordcomparison is beingperformed
        */
        if(accumulator == Destination){
        ZF =1;
        Destination =Source;
        }
        else{
        ZF =0;
        accumulator =Destination;
        }

目標值和暫存器裡的值相等的話，就設定一個跳轉標誌，並且把原始資料設到目標裡面去。如果不等的話，就不設定跳轉標誌了。

Java當中提供了很多無鎖類，下面來介紹下無鎖類。

2 無所類的使用

我們已經知道，無鎖比阻塞效率要高得多。我們來看看Java是如何實現這些無鎖類的。

2.1. AtomicInteger

AtomicInteger和Integer一樣，都繼承與Number類

public classAtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable

AtomicInteger裡面有很多CAS操作，典型的有：

public final booleancompareAndSet(int expect, int update) {
        returnunsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
    }

這裡來解釋一下unsafe.compareAndSwapInt方法，他的意思是，對於this這個類上的偏移量為valueOffset的變數值如果與期望值expect相同，那麼把這個變數的值設為update。

其實偏移量為valueOffset的變數就是value

static {
      try {
        valueOffset =unsafe.objectFieldOffset
           (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
      } catch (Exception ex) { throw newError(ex); }
}

我們此前說過，CAS是有可能會失敗的，但是失敗的代價是很小的，所以一般的實現都是在一個無限迴圈體內，直到成功為止。

public final intgetAndIncrement() {
        for (;;) {
            int current =get();
            int next = current + 1;
            if (compareAndSet(current,next))
                returncurrent;
        }
    }

2.2 Unsafe

從類名就可知，Unsafe操作是非安全的操作，比如：

• 根據偏移量設定值（在剛剛介紹的AtomicInteger中已經看到了這個功能）
• park()（把這個執行緒停下來，在以後的Blog中會提到）
• 底層的CAS操作

非公開API，在不同版本的JDK中，可能有較大差異

2.3. AtomicReference

前面已經提到了AtomicInteger，當然還有AtomicBoolean，AtomicLong等等，都大同小異。

這裡要介紹的是AtomicReference。

AtomicReference是一種模板類

public classAtomicReference<V>  implementsjava.io.Serializable

它可以用來封裝任意型別的資料。

比如String

package test;

importjava.util.concurrent.atomic.AtomicReference;

public classTest
{
        public final staticAtomicReference<String> atomicString = newAtomicReference<String>("hosee");
        public static voidmain(String[]args)
        {
                for(int i = 0; i < 10; i++)
                {
                        finalint num = i;
                        newThread(){
                                publicvoid run(){
                                        try
                                        {
                                                Thread.sleep(Math.abs((int)Math.random()*100));
                                        }
                                        catch(Exception e)
                                        {
                                                e.printStackTrace();
                                        }
                                        if(atomicString.compareAndSet("hosee","ztk"))
                                        {
                                                System.out.println(Thread.currentThread().getId()+ "Changevalue");
                                        }else{
                                                System.out.println(Thread.currentThread().getId()+"Failed");
                                        }
                                };
                        }.start();
                }
        }
}

結果：

10Failed
13Failed
9Changevalue
11Failed
12Failed
15Failed
17Failed
14Failed
16Failed
18Failed

可以看到只有一個執行緒能夠修改值，並且後面的執行緒都不能再修改。

2.4.AtomicStampedReference

我們會發現CAS操作還是有一個問題的

比如之前的AtomicInteger的incrementAndGet方法

public final intincrementAndGet() {
        for (;;) {
            int current =get();
            int next = current + 1;
            if (compareAndSet(current,next))
                return next;
        }
    }

假設當前value=1當某執行緒intcurrent =get()執行後，切換到另一個執行緒，這個執行緒將1變成了2，然後又一個執行緒將2又變成了1。此時再切換到最開始的那個執行緒，由於value仍等於1，所以還是能執行CAS操作，當然加法是沒有問題的，如果有些情況，對資料的狀態敏感時，這樣的過程就不被允許了。

此時就需要AtomicStampedReference類。

其內部實現一個Pair類來封裝值和時間戳。

private static classPair<T> {
        final T reference;
        final int stamp;
        private Pair(T reference, intstamp) {
            this.reference =reference;
            this.stamp =stamp;
        }
        static <T> Pair<T>of(T reference, int stamp) {
            return newPair<T>(reference, stamp);
        }
    }

這個類的主要思想是加入時間戳來標識每一次改變。

//比較設定 引數依次為：期望值 寫入新值期望時間戳 新時間戳
public boolean compareAndSet(V   expectedReference,
                                V   newReference,
                                int expectedStamp,
                                int newStamp) {
        Pair<V> current = pair;
        return
            expectedReference ==current.reference &&
            expectedStamp == current.stamp&&
            ((newReference == current.reference&&
              newStamp == current.stamp)||
             casPair(current,Pair.of(newReference, newStamp)));
    }

當期望值等於當前值，並且期望時間戳等於現在的時間戳時，才寫入新值，並且更新新的時間戳。

這裡舉個用AtomicStampedReference的場景，可能不太適合，但是想不到好的場景了。

場景背景是，某公司給餘額少的使用者免費充值，但是每個使用者只能充值一次。

package test;

importjava.util.concurrent.atomic.AtomicStampedReference;

public classTest
{
        staticAtomicStampedReference<Integer> money = newAtomicStampedReference<Integer>(
                        19,0);

public static voidmain(String[]args)
        {
                for(int i = 0; i < 3; i++)
                {
                        finalint timestamp = 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，餘額:"
                                                                                        +money.getReference());
                                                                        break;
                                                                }
                                                        }
                                                        else
                                                        {
                                                                break;
                                                        }
                                                }
                                        }
                                };
                        }.start();
                }

newThread()
                {
                        publicvoidrun()
                        {
                                for(int i = 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("消費10元，餘額:"
                                                                                        +money.getReference());
                                                                break;
                                                        }
                                                }else{
                                                        break;
                                                }
                                        }
                                        try
                                        {
                                                Thread.sleep(100);
                                        }
                                        catch(Exception e)
                                        {
                                                //TODO: handleexception
                                        }
                                }
                        };
                }.start();
        }

}

解釋下程式碼，有3個執行緒在給使用者充值，當使用者餘額少於20時，就給使用者充值20元。有100個執行緒在消費，每次消費10元。使用者初始有9元，當使用AtomicStampedReference來實現時，只會給使用者充值一次，因為每次操作使得時間戳+1。執行結果：

充值成功，餘額:39
消費10元，餘額:29
消費10元，餘額:19
消費10元，餘額:9

如果使用AtomicReference<Integer>或者Atomic Integer來實現就會造成多次充值。

充值成功，餘額:39
消費10元，餘額:29
消費10元，餘額:19
充值成功，餘額:39
消費10元，餘額:29
消費10元，餘額:19
充值成功，餘額:39
消費10元，餘額:29

2.5. AtomicIntegerArray

與AtomicInteger相比，陣列的實現不過是多了一個下標。

public final booleancompareAndSet(int i, int expect, int update) {
        returncompareAndSetRaw(checkedByteOffset(i), expect, update);
    }

它的內部只是封裝了一個普通的array

private final int[]array;

裡面有意思的是運用了二進位制數的前導零來算陣列中的偏移量。

shift = 31 -Integer.numberOfLeadingZeros(scale);

前導零的意思就是比如8位表示12,00001100，那麼前導零就是1前面的0的個數，就是4。

具體偏移量如何計算，這裡就不再做介紹了。

2.6. AtomicIntegerFieldUpdater

AtomicIntegerFieldUpdater類的主要作用是讓普通變數也享受原子操作。

就比如原本有一個變數是int型，並且很多地方都應用了這個變數，但是在某個場景下，想讓int型變成AtomicInteger，但是如果直接改型別，就要改其他地方的應用。AtomicIntegerFieldUpdater就是為了解決這樣的問題產生的。

package test;

importjava.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerFieldUpdater;

public classTest
{
        public static classV{
                intid;
                volatileintscore;
                publicint getScore()
                {
                        returnscore;
                }
                publicvoid setScore(int score)
                {
                        this.score= score;
                }
                
        }
        public final staticAtomicIntegerFieldUpdater<V> vv =AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(V.class,"score");
        
        public static AtomicIntegerallscore = newAtomicInteger(0);
        
        public static voidmain(String[] args) throws InterruptedException
        {
                finalV stu = newV();
                Thread[]t = newThread[10000];
                for(int i = 0; i < 10000;i++)
                {
                        t[i]= new Thread() {
                                @Override
                                publicvoidrun()
                                {
                                        if(Math.random()>0.4)
                                        {
                                                vv.incrementAndGet(stu);
                                                allscore.incrementAndGet();
                                        }
                                }
                        };
                        t[i].start();
                }
                for(int i = 0; i < 10000; i++)
                {
                        t[i].join();
                }
                System.out.println("score="+stu.getScore());
                System.out.println("allscore="+allscore);
        }
}

上述程式碼將score使用AtomicIntegerFieldUpdater變成AtomicInteger。保證了執行緒安全。

這裡使用allscore來驗證，如果score和allscore數值相同，則說明是執行緒安全的。

最後

1、Updater只能修改它可見範圍內的變數。因為Updater使用反射得到這個變數。如果變數不可見，就會出錯。比如如果某變數申明為private，就是不可行的。

2、為了確保變數被正確的讀取，它必須是volatile型別的。如果我們原有程式碼中未申明這個型別，那麼簡單得申明一下就行，這不會引起什麼問題。

3、由於CAS操作會通過物件例項中的偏移量直接進行賦值，因此，它不支援static欄位（Unsafe.objectFieldOffset()不支援靜態變數）。