【java并发编程实战2】无锁编程CAS与atomic包1、无锁编程CAS2、 atomic族类
【java并发编程实战2】无锁编程CAS与atomic包1、无锁编程CAS2、 atomic族类
1、无锁编程CAS
1.1、CAS
CAS的全称是Compare And Swap 即比较交换，其算法核心思想如下
执行函数：CAS(V,E,N)
其包含3个参数
- V表示要更新的变量
- E表示预期值
- N表示新值
如果V值等于E值，则将V的值设为N。若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。通俗的理解就是CAS操作需要我们提供一个期望值，当期望值与当前线程的变量值相同时，说明还没线程修改该值，当前线程可以进行修改，也就是执行CAS操作，但如果期望值与当前线程不符，则说明该值已被其他线程修改，此时不执行更新操作，但可以选择重新读取该变量再尝试再次修改该变量，也可以放弃操作，原理图如下
1535524330707.png
由于CAS操作属于乐观派，它总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，但失败的线程并不会被挂起，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，这点从图中也可以看出来。基于这样的原理，CAS操作即使没有锁，同样知道其他线程对共享资源操作影响，并执行相应的处理措施。同时从这点也可以看出，由于无锁操作中没有锁的存在，因此不可能出现死锁的情况，也就是说无锁操作天生免疫死锁。
1.2、CPU指令对CAS的支持
或许我们可能会有这样的疑问，假设存在多个线程执行CAS操作并且CAS的步骤很多，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？答案是否定的，因为CAS是一种系统原语，原语属于操作系统用语范畴，是由若干条指令组成的，用于完成某个功能的一个过程，并且原语的执行必须是连续的，在执行过程中不允许被中断，也就是说CAS是一条CPU的原子指令，不会造成所谓的数据不一致问题。
2、 atomic族类
在atomic包下共有AtomicBoolean、AtomicInteger、AtomicIntegerArray、AtmoicReference、AtomicReferenceFieldUpdater、LongAdder等类。
在上面线程不安全的例子中，我们用1000个线程调用整型变量的i的自增，然后输出i最后的大小，在多线程情况下，这明显是线程不安全的，因为i++不是原子操作，这里我们可以使用AtomicInteger代替Integer。
public class AtomicIntegerExample {
/**
* 并发线程数目
*/
private static int threadNum = 1000;
/**
* 闭锁
*/
private static CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threadNum);
private static AtomicInteger i = new AtomicInteger(0);
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
for (int j = 0; j < threadNum; j++) {
executorService.execute(() -> {
add();
});
}
// 使用闭锁保证当所有统计线程完成后，主线程输出统计结果。 其实这里也可以使用Thread.sleep() 让主线程阻塞等待一会儿实现
countDownLatch.await();
System.out.println(i.get());
}
private static void add() {
countDownLatch.countDown();
i.getAndIncrement();
}
}上面的代码就是线程安全的，运行输出 i=1000,这是为什么呢。我们来看看getAndIncrement()方法的实现
/**
* Atomically increments by one the current value.
*
* @return the previous value
*/
public final int getAndIncrement() {
return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
}我们看到方法是由一个unsafe对象的getAndAddInt方法实现。我们继续点进去看看getAndAddInt方法的实现。
public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
//
int var5;
do {
var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
} while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));
return var5;
}上面就是getAndAddInt方法的实现,具体流程如下，
1、首先根据当前的传过来的对象指针，获取期望的值 var5,
2、然后while判断调用compareAndSwapInt方法 ，这是一个native本地方法，它有四个参数，
第一个参数，当前的对象，第二个参数实际的值，第三个参数期望的值，第四个参数想要更新的值。
只有实际的值等于期望的值的时候，才会把值更新成第四个参数，也就是想要的更新的值，否则一直循环尝试。
这也就是无锁编程，CAS。
在高并发的场景，这种循环尝试的次数会比较高，成功率会比较低，这样性能会比较差。但是在JDK8中推出了一个新的类名为LongAdder
我们看看它的用法。我们也继续上面的求和的例子，只需要把AtomicInteger改成LongAddr然后更改对应调用的方法即可。具体代码如下。
public class LongAdderExample {
/**
* 并发线程数目
*/
private static int threadNum = 1000;
/**
* 闭锁
*/
private static CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threadNum);
private static LongAdder i = new LongAdder();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
for (int j = 0; j < threadNum; j++) {
executorService.execute(() -> {
add();
});
}
// 使用闭锁保证当所有统计线程完成后，主线程输出统计结果。 其实这里也可以使用Thread.sleep() 让主线程阻塞等待一会儿实现
countDownLatch.await();
System.out.println(i);
}
private static void add() {
countDownLatch.countDown();
i.increment();
}
}运行程序，发现结果与预期的一样i=1000，是线程安全的。那么我们看看它又是如何。保证线程安全的呢。
由于篇幅原因我不跟入源码讲解了，大致思想与ConcurrentHashMapy大致一致，采用的是热点分离法，
把value分成base+cells数组，避免所有的写操作都是在value上面，这样就保证提高性能，但是在多线程情况下，统计会有误差。
接着我们讲解CAS中常常会遇到的ABA问题。
比如说一个线程one从内存位置V中取出A，这时候另一个线程two也从内存中取出A，并且two进行了一些操作变成了B，然后two又将V位置的数据变成A，这时候线程one进行CAS操作发现内存中仍然是A，然后one操作成功。尽管线程one的CAS操作成功，但是不代表这个过程就是没有问题的。如果链表的头在变化了两次后恢复了原值，但是不代表链表就没有变化。
这里我们可以借助乐观锁的一个概念，使用version版本号来判断是否一致，每次操作后版本号加1如果两次对比版本号一致才交换，这样就避免了ABA问题，在atomic包下面也提供了对应的类AtomicStampedReference。
AtomicStampedReference每次操作前判断更新的时间戳与预期的时间戳是否一致，这样就巧妙的避免了ABA问题。