java 原子操作的實現原理(2)
Java中可以通過鎖和迴圈CAS的方式來實現原子操作。
這一節只講使用迴圈CAS實現原子操作：
(1)JVM中的CAS操作正是利用了處理器提供的CMPXCHG指令實現的。自旋CAS實現的基本思路就是迴圈進行CAS操作直到成功為止。下面是通過CAS執行緒安全的計數器方法safeCount和一個非執行緒安全的計數器count程式碼：
package com.heque;
import java.util.ArrayList; import java.util.List; import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
public class CASConcurrency {
public static void main(String[] args) { final Counter counter = new Counter(); List<Thread> list = new ArrayList<>(600); long start = System.currentTimeMillis(); for (int i = 0; i < 100; i++) { Thread t = new Thread(new Runnable() {
@Override public void run() { for (int i = 0; i < 10000; i++) { counter.count(); counter.safeCount(); } } }); list.add(t); } for (Thread t : list) { t.start(); } // 等待所有執行緒執行完成 for (Thread t : list) { try { t.join(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } System.out.println(counter.i); System.out.println(counter.integer.get()); System.out.println("使用時間：" + (System.currentTimeMillis() - start+"ms")); } }
class Counter{ public AtomicInteger integer = new AtomicInteger(0); public Integer i = 0; /** 使用CAS實現執行緒安全計數器 */ public void safeCount() { for (;;) { int i = integer.get(); boolean suc = integer.compareAndSet(i, ++i); if (suc) { break; } } } /** * 非執行緒安全計數器 */ public void count() { i++; }
}
(2)CAS實現原子操作的三大問題
1）ABA問題。
ABA問題。因為CAS需要在操作值的時候，檢查值有沒有發生變化，如果沒有發生變化則更新，但是如果一個值原來是A，變成了B，又變成了A，那麼使用CAS進行檢查時會發現它的值沒有發生變化，但是實際上卻變化了。ABA問題的解決思路就是使用版本號。在變數前面追加上版本號，每次變數更新的時候把版本號加1，那麼A→B→A就會變成1A→2B→3A。從Java 1.5開始，JDK的Atomic包裡提供了一個類AtomicStampedReference來解決ABA問題。這個類的compareAndSet方法的作用是首先檢查當前引用是否等於預期引用，並且檢查當前標誌是否等於預期標誌，如果全部相等，則以原子方式將該引用和該標誌的值設定為給定的更新值。
2）迴圈時間長開銷大。
自旋CAS如果長時間不成功，會給CPU帶來非常大的執行開銷。如果JVM能支援處理器提供的pause指令，那麼效率會有一定的提升。pause指令有兩個作用：第一，它可以延遲流水線執行指令（de-pipeline），使CPU不會消耗過多的執行資源，延遲的時間取決於具體實現的版本，在一些處理器上延遲時間是零；第二，它可以避免在退出迴圈的時候因記憶體順序衝突（Memory Order Violation）而引起CPU流水線被清空（CPU Pipeline Flush），從而提高CPU的執行效率。
3）只能保證一個共享變數的原子操作。
當對一個共享變數執行操作時，我們可以使用迴圈CAS的方式來保證原子操作，但是對多個共享變數操作時，迴圈CAS就無法保證操作的原子性，這個時候就可以用鎖。還有一個取巧的辦法，就是把多個共享變數合併成一個共享變數來操作。比如，有兩個共享變數i＝2，j=a，合併一下ij=2a，然後用CAS來操作ij。從Java 1.5開始，JDK提供了AtomicReference類來保證引用物件之間的原子性，就可以把多個變數放在一個物件裡來進行CAS操作。