并发无锁操作

秋落雨微凉

发布于 2022-11-21 11:14:32

8490

文章被收录于专栏：秋落雨微凉Java开发栏秋落雨微凉Java开发栏

JUC学习笔记——共享模型之无锁

在本系列内容中我们会对JUC做一个系统的学习，本片将会介绍JUC的无锁

我们会分为以下几部分进行介绍：

无锁操作
CAS与Volatile
原子类型
原理篇
Unsafe

并发无锁操作

这一小节我们将讲解如何用无锁操作完成并发操作

问题展现

我们给出一段之前并发展示代码：

/*并发代码*/

package cn.itcast;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
interface Account {
    // 获取余额
    Integer getBalance();
    // 取款
    void withdraw(Integer amount);
    /**
 * 方法内会启动 1000 个线程，每个线程做 -10 元 的操作
 * 如果初始余额为 10000 那么正确的结果应当是 0
 */
    static void demo(Account account) {
        List<Thread> ts = new ArrayList<>();
        long start = System.nanoTime();
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            ts.add(new Thread(() -> {
                account.withdraw(10);
            }));
        }
        ts.forEach(Thread::start);
        ts.forEach(t -> {
            try {
                t.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
        long end = System.nanoTime();
        System.out.println(account.getBalance() 
                           + " cost: " + (end-start)/1000_000 + " ms");
    }
}

/*主代码*/
public static void main(String[] args) {
    Account.demo(new AccountUnsafe(10000));
}

/*输出结果*/
330 cost: 306 ms

解决并发问题（锁）

我们在之前已经学习过了锁的基本操作，并且可以解决并发问题：

/*并发代码*/

// 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;
    }
}

/*主代码*/
public static void main(String[] args) {
    Account.demo(new AccountUnsafe(10000));
}

/*输出结果*/
0 cost: 399 ms

解决并发问题（无锁）

JDK为我们提供了几种乐观锁的无锁并发问题解决类型：

/*解释*/
AtomicInteger：原子int类型，属于实现类，传入一个integer类型的参数，可以调用其内部方法对其改变
AtomicInteger内部有一个value值，该值会存放你传入的Integer参数，其所有方法都是对该值进行改变或获得！

/*并发代码*/
class AccountSafe implements Account {
    // 定义共享数据为乐观锁AtomicInteger类型
    private AtomicInteger balance;
    
    // 构造方法，在创建类时，将传入的参数创建为AtomicInteger类型并赋值
    public AccountSafe(Integer balance) {
        this.balance = new AtomicInteger(balance);
    }
    
    // 获得：调用AtomicInteger类型的get方法
    @Override
    public Integer getBalance() {
        return balance.get();
    }
    
    // 改变：amount为值
    @Override
    public void withdraw(Integer amount) {
        // 一直进行直到完成操作
        while (true) {
            // 记录修改前的值和修改后的值
            int prev = balance.get();
            int next = prev - amount;
            // 采用compareAndSet，首先对比当前值是否为prev，如果是将该值修改为next，并返回true
            if (balance.compareAndSet(prev, next)) {
                // 执行成功，退出循环！
                break;
            }
        }
        // 可以简化为下面的方法
        // balance.addAndGet(-1 * amount);
    }
}

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

/*运行结果*/
0 cost: 302 ms
    
/*补充说明*/
乐观锁并没有运用锁，它采用的是不断运行，如果可以执行就执行，如果不可以执行就一直运行直到执行成功！

CAS 与 volatile

这一小节我们将讲解无锁操作中的CAS和Volatile相关内容

CAS简述

首先我们介绍一下CAS：

compareAndSet，它的简称就是 CAS （也有 Compare And Swap 的说法），它必须是原子操作。

此外我们还需要知道CAS本身就是原子操作：

其实 CAS 的底层是 lock cmpxchg 指令（X86 架构），在单核 CPU 和多核 CPU 下都能够保证【比较-交换】的原子性。
在多核状态下，某个核执行到带 lock 的指令时，CPU 会让总线锁住，当这个核把此指令执行完毕，再开启总线。
这个过程中不会被线程的调度机制所打断，保证了多个线程对内存操作的准确性，是原子的。

我们给出一张CAS操作的展示图：

Volatile

我们在之前已经详细的介绍了Volatile的内容：

Volatile可以保证该数据元素的可见性以及有序性
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。
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。

CAS必须搭配Volatile共同使用：

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。

CAS特点

我们来简单介绍一下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 体现的是无锁并发、无阻塞并发
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

我们反观Synchronized的特点：

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。

因而我们其实可以很清楚的明白无锁操作是要比锁操作速度要快的：

无锁情况下，即使重试失败，线程始终在高速运行，没有停歇，类似于自旋。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。线程的上下文切换是费时的，在重试次数不是太多时，无锁的效率高于有锁。
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

但是也有特殊状况：

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。
所以总的来说，当线程数小于等于cpu核心数时，使用无锁方案是很合适的，因为有足够多的cpu让线程运行。
当线程数远多于cpu核心数时，无锁效率相比于有锁就没有太大优势，因为依旧会发生上下文切换。

原子类型

这一小节我们将讲解无锁操作中的各种原子类型

原子整数

首先我们来介绍一下原子整数，大致分为三类：

AtomicBoolean
AtomicInteger
AtomicLong

由于三种原子整数相似，我们仅给出一种实例：

/*原子整数型介绍*/

- AtomicBoolean：布尔类型的原子整数
- AtomicInteger：int类型的原子整数
- AtomicLong：Long类型的原子整数
    
/*相关方法展示*/
    
// 首先创建一个AtomicInteger类型
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));

/*相关知识补充*/

getAndUpdate,updateAndGet,getAndAccumulate,accumulateAndGet所需的参数都是IntUnaryOperator类型

该类型只有一个抽象方法，其需要输入int类型，会返回类型，我们只需要采用Lambda表达式重新构造即可使用！

/*源码展示*/

// 以上方法都是以CAS为基础进行了封装，保证了方法的原子性和变量的可见性。

// 我们调其中一个方法进行底层代码的剖析：
public static int updateAndGet(AtomicInteger i, IntUnaryOperator operator){
    while (true){
        int prev = i.get();
        int next = operator.applyAsInt(prev);
        if(i.compareAndSet(prev,next)){
            return next;
        }
    }
}

原子引用

我们的原子引用主要分为三类：

AtomicReference
AtomicMarkableReference
AtomicStampedReference

我们针对三种不同的原子引用类型展开讲解：

/*基本解释*/

- AtomicReference ：最基本的原子引用，引用对象后，针对其方法进行改变即可
- AtomicMarkableReference ：在AtomicReference的基础上，多了一个版本号，用来检测当前版本与当时未修改前的版本的差距
- AtomicStampedReference ：在AtomicReference的基础上，多一个判断，用来判断该对象是否被修改
    
/*不安全版本*/
    
class DecimalAccountUnsafe implements DecimalAccount {
    
    BigDecimal balance;
        
    public DecimalAccountUnsafe(BigDecimal balance) {
        this.balance = balance;
    }
    
    @Override
    public BigDecimal getBalance() {
        return balance;
    }
    
    @Override
    public void withdraw(BigDecimal amount) {
        BigDecimal balance = this.getBalance();
        this.balance = balance.subtract(amount);
    }
}    

/*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);
        }
    }
}

/*AtomicReference*/

class DecimalAccountSafeCas implements DecimalAccount {
    
    // 我们并不是直接获得对象本身，而是采用一个AtomicReference类进行包装，里面装的是BigDecimal类型的value值
    // 同样我们后续的操作都是针对这个value值操作
    AtomicReference<BigDecimal> ref;
    
    // 初始化进行赋值
    public DecimalAccountSafeCas(BigDecimal balance) {
        ref = new AtomicReference<>(balance);
    }
    
    // 得到value值
    @Override
    public BigDecimal getBalance() {
        return ref.get();
    }
    
    // 采用compareAndSet方法对value值进行判断并修改
    // 但这时我们只能根据其prev来进行判断，prev和当前值相同，改为next；若不同不修改；无法判断内部是否经过改变
    // 比如，最开始为a，后面有一个线程a->b,又出现一个线程b->a，当然我们当前线程就会默认没有发生变化而直接改变为next目标值
    @Override
    public void withdraw(BigDecimal amount) {
        while (true) {
            BigDecimal prev = ref.get();
            BigDecimal next = prev.subtract(amount);
            if (ref.compareAndSet(prev, next)) {
                break;
            }
        }
    }
}

/*AtomicMarkableReference */

// 模拟操作
@Slf4j
public class TestABAAtomicMarkableReference {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        
        // 首先创建一个垃圾袋装满垃圾
        GarbageBag bag = new GarbageBag("装满了垃圾");
        
        // 我们采用AtomicMarkableReference封装对象，对象为垃圾袋；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);
        
        // 开始操作（打印当前状况）
        log.debug("主线程 start...");
        GarbageBag prev = ref.getReference();
        log.debug(prev.toString());
        
        // 该线程负责打扫垃圾，这时我们会调用AtomicMarkableReference的compareAndSet方法
        // 里面不仅包含了value的prev和next还包含了mark的prev和next
        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();
        
        // 在前面的线程修改之后，我们如果还想判断修改，这时需要prev为true，但已经改变为false，所以不会执行
        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());
    }
}

// 模拟垃圾袋
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;
    }
}

// 结果展示
2019-10-13 15:30:09.264 [main] 主线程 start... 
2019-10-13 15:30:09.270 [main] cn.itcast.GarbageBag@5f0fd5a0 装满了垃圾
2019-10-13 15:30:09.293 [Thread-1] 打扫卫生的线程 start... 
2019-10-13 15:30:09.294 [Thread-1] cn.itcast.GarbageBag@5f0fd5a0 空垃圾袋
2019-10-13 15:30:10.294 [main] 主线程想换一只新垃圾袋？
2019-10-13 15:30:10.294 [main] 换了么？false 
2019-10-13 15:30:10.294 [main] cn.itcast.GarbageBag@5f0fd5a0 空垃圾袋
    
/*AtomicStampedReference */
    
// 代码展示
    
// 我们同样采用AtomicStampedReference来装载对象，但是AtomicStampedReference会多一个版本号
// 该版本号可以进行++修改，这样我们就可以得知我们进行了几次修改
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();
    
}

// 结果展示
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

原子数组

我们的原子引用主要分为三类：

AtomicIntegerArray
AtomicLongArray
AtomicReferenceArray

这三种数组除了内部包含的元素不同外基本相同，所以我们仅介绍一种：

/*lambda知识点补充*/

我们将Lambda里面的类型分为三种类型：

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)->void
    
/*统一数组处理机制*/
    
// 我们给出一套Lambda方法处理数组的Demo函数来进行检测
    
 // 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
    
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(() -> {
            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);
}

/*不安全数组*/

// 代码
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] 

/*安全数组：大部分方法和原子整数以及原子引用完全相同*/

// 代码
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

我们首先来介绍一下字段更新器：

利用字段更新器，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

我们的字段更新器通常分为三种：

AtomicIntegerFieldUpdater
AtomicLongFieldUpdater
AtomicReferenceFieldUpdater

我们来进行代码展示：

/*代码展示*/

public class Test5 {
    
    // 在该类中设置字段
    private volatile int field;
    
    public static void main(String[] args) {
        
        // 创建字段更新器，前面为类名.class,后面为属性名
        AtomicIntegerFieldUpdater fieldUpdater =
            AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(Test5.class, "field");
        
        // 我们需创建一个对象，作为字段更新器的类对象
        Test5 test5 = new Test5();
        
        // 修改0->10
        fieldUpdater.compareAndSet(test5, 0, 10);
        System.out.println(test5.field);
        
        // 修改10->20
        fieldUpdater.compareAndSet(test5, 10, 20);
        System.out.println(test5.field);
        
        // 修改10->30，修改失败！
        fieldUpdater.compareAndSet(test5, 10, 30);
        System.out.println(test5.field);
    }
}

/*结果展示*/
10 
20 
20

原子累加器

CAS专门创建了一种原子累加器，其由于性能远高于正常CAS，固被留下使用：

LongAdder
性能提升的原因很简单，在有竞争时，设置多个累加单元，Therad-0 累加 Cell[0]，而 Thread-1 累加 Cell[1]... 最后将结果汇总。
这样它们在累加时操作的不同的 Cell 变量，因此减少了CAS 重试失败，从而提高性能。

我们采用代码进行比对：

/*主代码*/

// 原子累加器
for (int i = 0; i < 5; i++) {
    demo(() -> new LongAdder(), adder -> adder.increment());
}
// 正常CAS操作
for (int i = 0; i < 5; i++) {
    demo(() -> new AtomicLong(), adder -> adder.getAndIncrement());
}

/*测试函数*/

private static <T> void demo(Supplier<T> adderSupplier, Consumer<T> action) {
    T adder = adderSupplier.get();
    long start = System.nanoTime();
    List<Thread> ts = new ArrayList<>();
    // 4 个线程，每人累加 50 万
    for (int i = 0; i < 40; i++) {
        ts.add(new Thread(() -> {
            for (int j = 0; j < 500000; j++) {
                action.accept(adder);
            }
        }));
    }
    ts.forEach(t -> t.start());
    ts.forEach(t -> {
        try {
            t.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    });
    long end = System.nanoTime();
    System.out.println(adder + " cost:" + (end - start)/1000_000);
}

/*结果对比*/

1000000 cost:43 
1000000 cost:9 
1000000 cost:7 
1000000 cost:7 
1000000 cost:7 
1000000 cost:31 
1000000 cost:27 
1000000 cost:28 
1000000 cost:24 
1000000 cost:22

原理篇

这一小节我们将讲解无锁操作中的一些原理内容

LongAdder组成

首先我们给出LongAdder组成部分：

/*LongAdder组成*/

// 累加单元数组, 懒惰初始化
transient volatile Cell[] cells;

// 基础值, 如果没有竞争, 则用 cas 累加这个域
transient volatile long base;

// 在 cells 创建或扩容时, 置为 1, 表示加锁
transient volatile int cellsBusy;

/*Cell组成*/

// 防止缓存行伪共享
@sun.misc.Contended
static final class Cell {
    
    volatile long value;
    
    Cell(long x) { value = x; }

    // 最重要的方法, 用来 cas 方式进行累加, prev 表示旧值, next 表示新值
    final boolean cas(long prev, long next) {
        return UNSAFE.compareAndSwapLong(this, valueOffset, prev, next);
    }
    // 省略不重要代码
}

LongAdder加锁设置

我们可以看到这里的是否创建cell采用的是一种CAS锁的机制，我们这里简单介绍一下：

package cn.itcast.test;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

import static cn.itcast.n2.util.Sleeper.sleep;

@Slf4j(topic = "c.Test42")
public class LockCas {
    // 0 没加锁
    // 1 加锁
    private AtomicInteger state = new AtomicInteger(0);

    public void lock() {
        while (true) {
            if (state.compareAndSet(0, 1)) {
                break;
            }
        }
    }

    public void unlock() {
        log.debug("unlock...");
        state.set(0);
    }

    public static void main(String[] args) {
        LockCas lock = new LockCas();
        new Thread(() -> {
            log.debug("begin...");
            lock.lock();
            try {
                log.debug("lock...");
                sleep(1);
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }).start();

        new Thread(() -> {
            log.debug("begin...");
            lock.lock();
            try {
                log.debug("lock...");
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }).start();
    }
}

LongAdder伪共享

我们在Cell的类代码中可以看到这个注解：

@sun.misc.Contended:防止缓存行伪共享

首先我们知道内存之上还有缓存，其速度是具有极大差距的：

从 cpu 到	大约需要的时钟周期
寄存器	1 cycle (4GHz 的 CPU 约为0.25ns)
L1	3~4 cycle
L2	10~20 cycle
L3	40~45 cycle
内存	120~240 cycle

缓存的加入会造成数据副本的产生，即同一份数据会缓存在不同核心的缓存行中

同时CPU 要保证数据的一致性，如果某个 CPU 核心更改了数据，其它 CPU 核心对应的整个缓存行必须失效

我们给出简单示例图：

所以如果我们想要实现CAS的多处理器直接操作最后相加的想法就需要使缓存的这个特性变化：

因而我们就采用注解的方法：

@sun.misc.Contended 用来解决这个问题
它的原理是在使用此注解的对象或字段的前后各增加 128 字节大小的padding，
从而让 CPU 将对象预读至缓存时占用不同的缓存行，这样不会造成对方缓存行的失效

Unsafe

这一小节我们将讲解Unsafe类

Unsafe概述

我们首先来简单介绍一下Unsafe：

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
jdk8直接调用Unsafe.getUnsafe()获得的unsafe不能用。

我们给出简单例子展示：

/*获得Unsafe*/

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;
    }
}

/*unsafe使用（会操作底层内存等数据，尽量不要使用）*/

//以下三个方法只执行一次，成功返回true，不成功返回false
public final native boolean compareAndSwapObject(Object var1, long var2, Object var4, Object var5);

public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);

public final native boolean compareAndSwapLong(Object var1, long var2, long var4, long var6);

//以下方法都是在以上三个方法的基础上进行封装，会循环直到成功为止。
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;
}

public final long getAndAddLong(Object var1, long var2, long var4) {
    long var6;
    do {
        var6 = this.getLongVolatile(var1, var2);
    } while(!this.compareAndSwapLong(var1, var2, var6, var6 + var4));

    return var6;
}

public final int getAndSetInt(Object var1, long var2, int var4) {
    int var5;
    do {
        var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
    } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var4));

    return var5;
}

public final long getAndSetLong(Object var1, long var2, long var4) {
    long var6;
    do {
        var6 = this.getLongVolatile(var1, var2);
    } while(!this.compareAndSwapLong(var1, var2, var6, var4));

    return var6;
}

public final Object getAndSetObject(Object var1, long var2, Object var4) {
    Object var5;
    do {
        var5 = this.getObjectVolatile(var1, var2);
    } while(!this.compareAndSwapObject(var1, var2, var5, var4));

Unsafe CAS 操作

下面我们讲解Unsafe来进行CAS操作的具体代码：

/*unsafe实现字段更新*/

// 主函数
public class unsafeOperator{
    
    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);
}

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

// 输出
Student(id=20, name=张三) 

/*unsafe实现原子整数*/

// 主函数
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
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);
    }
});

/*手动实现原子整数完整版+测试*/

public class UnsafeAtomicTest{
    public static void main(String[] args) {
        //赋初始值10000，调用demo后正确的输出结果为0
        AccountImpl account = new AccountImpl(10000);
        //结果正确地输出0
        account.demo();
    }
}

interface Account{
    //获取balance的方法
    int getBalance();
    //取款的方法
    void decrease(int amount);
    //演示多线程取款，检查安全性。
    default void demo(){
        ArrayList<Thread> ts = new ArrayList<>(1000);
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            ts.add(new Thread(() -> {
                decrease(10);
            }));
        }
        for (Thread t:ts) {
            t.start();
        }
        for (Thread t:ts) {
            try {
                t.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        System.out.println(getBalance());
    }
}
//实现账户类，使用手动实现的原子整数作为余额类型
class AccountImpl implements Account{

    UnsafeAtomicInteger balance;

    public AccountImpl(int balance){
        this.balance = new UnsafeAtomicInteger(balance);
    }

    @Override
    public int getBalance() {
        return balance.get();
    }

    @Override
    public void decrease(int amount) {
        balance.getAndAccumulate(amount,(x,y) -> y - x);
    }

}
//手动实现原子整数类
class UnsafeAtomicInteger {
    //将value声明为volatile，因为乐观锁需要可见性。
    private volatile int value;
    //需要Unsafe的cas本地方法实现操作。
    private static final Unsafe unsafe;
    //偏移量，这两个变量很重要且通用、不可变，所以均声明为private static final
    private static final long offset;

    static{
        //静态代码块初始化unsafe
        unsafe = UnsafeAccessor.getUnsafe();

        try {
            //获取value在当前类中的偏移量
            offset = unsafe.objectFieldOffset(UnsafeAtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
        } catch (NoSuchFieldException e) {
            e.printStackTrace();
            //待研究
            throw new Error(e);
        }
    }

    public UnsafeAtomicInteger(){

    }

    public UnsafeAtomicInteger(int value){
        this.value = value;
    }

    public final int get(){
        return value;
    }

    public final boolean compareAndSet(int expext,int update){
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, offset, expext, update);
    }

    public final int getAndIncrement(){
        //局部变量是必须的，因为多次从主存中读取value的值不可靠。
        int oldValue;
        while (true){
            oldValue = value;
            if(unsafe.compareAndSwapInt(this,offset,oldValue,oldValue + 1)){
                return oldValue;
            }
        }
    }

    public final int incrementAndGet(){
        int oldValue;
        while (true){
            oldValue = value;
            if (unsafe.compareAndSwapInt(this, offset, oldValue, oldValue + 1)) {
                return oldValue + 1;
            }
        }
    }

    public final int getAndDecrement(){
        int oldValue;
        while (true){
            oldValue = value;
            if (unsafe.compareAndSwapInt(this, offset, oldValue, oldValue - 1)) {
                return oldValue;
            }
        }
    }

    public final int decrementAndGet(){
        int oldValue;
        while (true){
            oldValue = value;
            if (unsafe.compareAndSwapInt(this, offset, oldValue, oldValue - 1)) {
                return oldValue - 1;
            }
        }
    }

    public final int getAndUpdate(IntUnaryOperator operator){
        int oldValue;
        int newValue;
        while (true){
            oldValue = value;
            newValue = operator.applyAsInt(oldValue);
            if (unsafe.compareAndSwapInt(this, offset, oldValue, newValue)) {
                return oldValue;
            }
        }
    }

    public final int updateAndGet(IntUnaryOperator operator){
        int oldValue;
        int newValue;
        while (true){
            oldValue = value;
            newValue = operator.applyAsInt(oldValue);
            if (unsafe.compareAndSwapInt(this, offset, oldValue, newValue)) {
                return newValue;
            }
        }
    }

    public final int getAndAccumulate(int x, IntBinaryOperator operator){
        int oldValue;
        int newValue;
        while (true){
            oldValue = value;
            newValue = operator.applyAsInt(x,oldValue);
            if (unsafe.compareAndSwapInt(this, offset, oldValue, newValue)) {
                return newValue;
            }
        }
    }

    public final int accumulateAndGet(int x, IntBinaryOperator operator){
        int oldValue;
        int newValue;
        while (true){
            oldValue = value;
            newValue = operator.applyAsInt(x,oldValue);
            if (unsafe.compareAndSwapInt(this, offset, oldValue, newValue)) {
                return oldValue;
            }
        }
    }
}

class UnsafeAccessor{
    public static Unsafe getUnsafe(){
        Field field;
        Unsafe unsafe = null;
        try {
            field  = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
            field.setAccessible(true);
            unsafe = (Unsafe)field.get(null);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return unsafe;
    }
}

总结

我们在这里做一下该篇文章核心内容总结：

CAS 与 volatile
API
- 原子整数
- 原子引用
- 原子数组
- 字段更新器
- 原子累加器
Unsafe
伪共享

结束语

到这里我们JUC的共享模型之无锁就结束了，希望能为你带来帮助~

附录

该文章属于学习内容，具体参考B站黑马程序员满老师的JUC完整教程

这里附上视频链接：06.001-本章内容_哔哩哔哩_bilibili

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原始发表：2022-11-15，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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