[高并发Java 四] 无锁

摘要

本系列基于炼数成金课程，为了更好的学习，做了系列的记录。 本文主要介绍: 1.无锁类的原理详解 2.无锁类的使用

在[高并发Java 一] 前言中已经提到了无锁的概念，由于在jdk源码中有大量的无锁应用，所以在这里介绍下无锁。

1 无锁类的原理详解

1.1 CAS

CAS算法的过程是这样：它包含3个参数CAS(V,E,N)。V表示要更新的变量，E表示预期值，N表示新值。仅当V
值等于E值时，才会将V的值设为N，如果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。最后，CAS返回当前V的真实值。CAS操作是抱着乐观的态度进行的，它总是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。失败的线程
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。基于这样的原理，CAS
操作即时没有锁，也可以发现其他线程对当前线程的干扰，并进行恰当的处理。

我们会发现，CAS的步骤太多，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？

事实上，这个担心是多余的。CAS整一个操作过程是一个原子操作，它是由一条CPU指令完成的。

1.2 CPU指令

CAS的CPU指令是cmpxchg

指令代码如下：

        /*accumulator = AL, AX, or EAX, depending on whethera byte, word, or doubleword comparison is being performed*/if(accumulator == Destination) {ZF = 1;Destination = Source;}else {ZF = 0;accumulator = Destination;}

目标值和寄存器里的值相等的话，就设置一个跳转标志，并且把原始数据设到目标里面去。如果不等的话，就不设置跳转标志了。

Java当中提供了很多无锁类，下面来介绍下无锁类。

2 无所类的使用

我们已经知道，无锁比阻塞效率要高得多。我们来看看Java是如何实现这些无锁类的。

2.1. AtomicInteger

AtomicInteger和Integer一样，都继承与Number类

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable

AtomicInteger里面有很多CAS操作，典型的有：

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

这里来解释一下unsafe.compareAndSwapInt方法，他的意思是，对于this这个类上的偏移量为valueOffset的变量值如果与期望值expect相同，那么把这个变量的值设为update。

其实偏移量为valueOffset的变量就是value

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

我们此前说过，CAS是有可能会失败的，但是失败的代价是很小的，所以一般的实现都是在一个无限循环体内，直到成功为止。

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

2.2 Unsafe

从类名就可知，Unsafe操作是非安全的操作，比如：

• 根据偏移量设置值（在刚刚介绍的AtomicInteger中已经看到了这个功能）
• park()（把这个线程停下来，在以后的Blog中会提到）
• 底层的CAS操作

非公开API，在不同版本的JDK中，可能有较大差异

2.3. AtomicReference

前面已经提到了AtomicInteger，当然还有AtomicBoolean，AtomicLong等等，都大同小异。

这里要介绍的是AtomicReference。

AtomicReference是一种模板类

public class AtomicReference<V>  implements java.io.Serializable

它可以用来封装任意类型的数据。

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();}}}

结果：

10Failed13Failed9Change value11Failed12Failed15Failed17Failed14Failed16Failed18Failed

可以看到只有一个线程能够修改值，并且后面的线程都不能再修改。 

2.4.AtomicStampedReference

我们会发现CAS操作还是有一个问题的

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;        }    }

假设当前value=1当某线程int current = get()执行后，切换到另一个线程，这个线程将1变成了2，然后又一个线程将2又变成了1。此时再切换到最开始的那个线程，由于value仍等于1，所以还是能执行CAS操作，当然加法是没有问题的，如果有些情况，对数据的状态敏感时，这样的过程就不被允许了。

此时就需要AtomicStampedReference类。

其内部实现一个Pair类来封装值和时间戳。

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);        }    }

这个类的主要思想是加入时间戳来标识每一次改变。

//比较设置 参数依次为：期望值 写入新值 期望时间戳 新时间戳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)));    }

当期望值等于当前值，并且期望时间戳等于现在的时间戳时，才写入新值，并且更新新的时间戳。
这里举个用AtomicStampedReference的场景，可能不太适合，但是想不到好的场景了。

场景背景是，某公司给余额少的用户免费充值，但是每个用户只能充值一次。

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，余额:"+ 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("消费10元，余额:"+ money.getReference());break;}}else {break;}}try{Thread.sleep(100);}catch (Exception e){// TODO: handle exception}}};}.start();}}

解释下代码，有3个线程在给用户充值，当用户余额少于20时，就给用户充值20元。有100个线程在消费，每次消费10元。用户初始有9元，当使用AtomicStampedReference来实现时，只会给用户充值一次，因为每次操作使得时间戳+1。运行结果：

充值成功，余额:39消费10元，余额:29消费10元，余额:19消费10元，余额:9

如果使用AtomicReference<Integer>或者 Atomic Integer来实现就会造成多次充值。

充值成功，余额:39消费10元，余额:29消费10元，余额:19充值成功，余额:39消费10元，余额:29消费10元，余额:19充值成功，余额:39消费10元，余额:29

2.5. AtomicIntegerArray

与AtomicInteger相比，数组的实现不过是多了一个下标。

public final boolean compareAndSet(int i, int expect, int update) {        return compareAndSetRaw(checkedByteOffset(i), expect, update);    }

它的内部只是封装了一个普通的array

private final int[] array;

里面有意思的是运用了二进制数的前导零来算数组中的偏移量。

shift = 31 - Integer.numberOfLeadingZeros(scale);

前导零的意思就是比如8位表示12,00001100，那么前导零就是1前面的0的个数，就是4。

具体偏移量如何计算，这里就不再做介绍了。

2.6. AtomicIntegerFieldUpdater

AtomicIntegerFieldUpdater类的主要作用是让普通变量也享受原子操作。

就比如原本有一个变量是int型，并且很多地方都应用了这个变量，但是在某个场景下，想让int型变成AtomicInteger，但是如果直接改类型，就要改其他地方的应用。AtomicIntegerFieldUpdater就是为了解决这样的问题产生的。

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() {@Overridepublic 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);}}

上述代码将score使用 AtomicIntegerFieldUpdater变成 AtomicInteger。保证了线程安全。

这里使用allscore来验证，如果score和allscore数值相同，则说明是线程安全的。

小说明：

• Updater只能修改它可见范围内的变量。因为Updater使用反射得到这个变量。如果变量不可见，就会出错。比如如果某变量申明为private，就是不可行的。
• 为了确保变量被正确的读取，它必须是volatile类型的。如果我们原有代码中未申明这个类型，那么简单得申明一下就行，这不会引起什么问题。
• 由于CAS操作会通过对象实例中的偏移量直接进行赋值，因此，它不支持static字段（Unsafe.objectFieldOffset()不支持静态变量）。