高併發Java 四 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 doubleword comparison is being performed
*/
if(accumulator == Destination) {
ZF = 1 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 class AtomicInteger裡面有很多CAS操作，典型的有：
public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
return unsafe.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 new Error(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 int getAndIncrement() {
for (;;) {
int current = get();
int next = current + 1;
if (compareAndSet(current, next))
return current;
}
}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 class AtomicReference<V> implements java.io.Serializable它可以用來封裝任意型別的資料。
比如String
package test;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;
public class Test
{
public final static AtomicReference<String> atomicString = new AtomicReference<String>("hosee");
public static void main(String[] args)
{
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
final int num = i;
new Thread() {
public void 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() + "Change value");
}else {
System.out.println(Thread.currentThread().getId() + "Failed");
}
};
}.start();
}
}
}結果：
10Failed
13Failed
9Change value
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 int incrementAndGet() {
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int current = 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 class Pair<T> {
final T reference;
final int stamp;
private Pair(T reference, int stamp) {
this.reference = reference;
this.stamp = stamp;
}
static <T> Pair<T> of(T reference, int stamp) {
return new Pair<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 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;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicStampedReference;
public class Test
{
static AtomicStampedReference<Integer> money = new AtomicStampedReference<Integer>(
19, 0);
public static void main(String[] args)
{
for (int i = 0; i < 3; i++)
{
final int timestamp = money.getStamp();
new Thread()
{
public void run()
{
while (true)
{
while (true)
{
Integer m = 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();
}
new Thread()
{
public void run()
{
for (int i = 0; i < 100; i++)
{
while (true)
{
int timestamp = money.getStamp();
Integer m = 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: handle exception
}
}
};
}.start();
}
}解釋下程式碼，有3個執行緒在給使用者充值，當用戶餘額少於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:292.5. AtomicIntegerArray
與AtomicInteger相比，陣列的實現不過是多了一個下標。
public final boolean compareAndSet(int i, int expect, int update) {
return compareAndSetRaw(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;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerFieldUpdater;
public class Test
{
public static class V{
int id;
volatile int score;
public int getScore()
{
return score;
}
public void setScore(int score)
{
this.score = score;
}
}
public final static AtomicIntegerFieldUpdater<V> vv = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(V.class, "score");
public static AtomicInteger allscore = new AtomicInteger(0);
public static void main(String[] args) throws InterruptedException
{
final V stu = new V();
Thread[] t = new Thread[10000];
for (int i = 0; i < 10000; i++)
{
t[i] = new Thread() {
@Override
public void run()
{
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。
小說明：
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。
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。
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）。