java并发编程线程安全——原子性1

比眉伴天荒 2021-12-05 00:55 396阅读 0赞

# 一、线程安全性 #

线程安全性：

定义——当多个线程访问某个类时，不管运行时环境采用何种调度方式或者这些进程将如何交替执行，并且在主调代码中不需要任何额外的同步或协同，这个类都能表现出正确的行为，那么就称这个类是线程安全的。

原子性：提供了互斥访问，同一时刻只能有一个线程来对它进行操作。

可见性：一个线程对主内存的修改可以及时的被其他线程观察到。

有序性：一个线程观察其他线程中的指令执行顺序，由于指令重排序的存在，该观察结果一般杂乱无序。

# 二、原子性 #

原子性——Atomic包

## 1，什么是CAS？ ##

他们都是通过CAS来满足原子性的，那么什么事CAS？

CAS就是compare and swap，它解决多线程并行情况下使用锁造成性能损耗的一种机制，CAS操作包含三个操作数——内存位置（V）、预期原值（A）和新值(B)。如果内存位置的值与预期原值相匹配，那么处理器会自动将该位置值更新为新值。否则，处理器不做任何操作。无论哪种情况，它都会在CAS指令之前返回该位置的值。CAS有效地说明了“我认为位置V应该包含值A；如果包含该值，则将B放到这个位置；否则，不要更改该位置，只告诉我这个位置现在的值即可。

不过单就这个定义，有种知其然不知其所以然的感觉，为啥CAS可以满足原子性的要求？它这种方式的思路是什么？网上查的这一段讲得不错：

CAS是英文单词Compare and Swap的缩写，翻译过来就是比较并替换。

CAS机制中使用了3个基本操作数：内存地址V，旧的预期值A，要修改的新值B。

更新一个变量的时候，只有当变量的预期值A和内存地址V当中的实际值相同时，才会将内存地址V对应的值修改为B。

我们看一个例子：

1. 在内存地址V当中，存储着值为10的变量。

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2. 此时线程1想把变量的值增加1.对线程1来说，旧的预期值A=10，要修改的新值B=11.

![70 1][]

3. 在线程1要提交更新之前，另一个线程2抢先一步，把内存地址V中的变量值率先更新成了11。

![70 2][]

4. 线程1开始提交更新，首先进行A和地址V的实际值比较，发现A不等于V的实际值，提交失败。

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5. 线程1 重新获取内存地址V的当前值，并重新计算想要修改的值。此时对线程1来说，A=11，B=12。这个重新尝试的过程被称为自旋。

![70 4][]

6. 这一次比较幸运，没有其他线程改变地址V的值。线程1进行比较，发现A和地址V的实际值是相等的。

![70 5][]

7. 线程1进行交换，把地址V的值替换为B，也就是12.

![70 6][]

从上面的变更可以看出来，cas是通过比较内存地址V和线程中旧的预期值A来判断内存值是否被修改过，如果修改过就重新计算旧的预期值A，直到内存值和预期值一致才做修改，这样就实现了互斥的效果！

从思想上来说，synchronized属于悲观锁，悲观的认为程序中的并发情况严重，所以严防死守，CAS属于乐观锁，乐观地认为程序中的并发情况不那么严重，所以让线程不断去重试更新。

乐观锁和悲观锁来复习下。java由并发可能产生3种并发问题：脏读（dirty read）、不可重复度（unrepeatable read）、幻读（phantom read）。

由此有四个对应级别来处理这三种并发现象：

1.read uncommitted,读未提交.导致了(脏读 + 不可重复 + 幻读)

2.read committed ,读已提交,避免了脏读,导致(不可重复 + 幻读)

4.repeatable read,可以重复读，避免了(脏读 + 不可重复读 + 幻读 mysql)

8.serializable(悲观锁).

悲观锁，是不允许并发，一个一个线程执行；乐观锁是支持并发的，但是会感知数据被篡改了。

在java中除了上面提到的Atomic系列类，以及Lock系列类夺得底层实现，甚至在JAVA1.6以上版本，synchronized转变为重量级锁之前，也会采用CAS机制。

**CAS的缺点：**

1） CPU开销过大

在并发量比较高的情况下，如果许多线程反复尝试更新某一个变量，却又一直更新不成功，循环往复，会给CPU带来很到的压力。

2） 不能保证代码块的原子性

CAS机制所保证的知识一个变量的原子性操作，而不能保证整个代码块的原子性。比如需要保证3个变量共同进行原子性的更新，就不得不使用synchronized了。

3） ABA问题

这是CAS机制最大的问题所在。（后面有介绍）

所谓ABA问题，就是一个变量从A变成了B，然后又变回来了A，普通CAS会误判通过检测。

附上讲CAS的博文：

[https://blog.csdn.net/qq\_32998153/article/details/79529704][https_blog.csdn.net_qq_32998153_article_details_79529704]

## 2，java中实现原子性的类 ##

有前面的铺垫，其实就比较容易搞懂了。

java实现原子性有个专门的包——Atomic包

一般就叫做：AtomicXXX。实现原理也就是CAS，底层有个Unsafe.compareAndSwapInt

比如：

AtomicInteger 这个类，它的增加方法为：incrementAndGet （increment是增加的意思）

实现起来，调用了unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;

而getAndAddInt方法如下：

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;
    }

compareAndSwapInt是native方法，原子类实际上采用CAS实现的。var1是当前传过来的对象，var2是当前的值，比如我要实现2+1=3的操作，var2=2，var3=1，var5调用底层的方法，用来确定它是底层当前的值。compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4)实现的就是底层的值（var5）和当前的值（var2）是相同的话，就把它更新成var5+var4，如果不一样的话，就循环执行。

## 3，AtomicLong和LongAddr ##

特别要说明下AtomicLong和LongAddr  
AtomicLong和之前的讲得AtomicInteger很类似，底层实质上都是通过CAS来实现的。而LongAddr则实现得更为巧妙。  
先来看看两个类方法上有何不同？  
老实讲，看源码还是有点费力~~  
这篇博文讲得不错：  
https://blog.csdn.net/yao123long/article/details/63683991

单从方法来看，两者均有对应的操作方法。对于LongAddr，我们从它的自增方法看起，有两段代码比较重要：  
（1）LongAddr的add方法  
    public void add(long x) \{  
        Cell\[\] as; long b, v; int m; Cell a;  
        if ((as = cells) != null || !casBase(b = base, b + x)) \{  
            boolean uncontended = true;  
            if (as == null || (m = as.length - 1) < 0 ||  
                (a = as\[getProbe() & m\]) == null ||  
                !(uncontended = a.cas(v = a.value, v + x)))  
                longAccumulate(x, null, uncontended);  
        \}  
    \}

读这段代码，要先从Cell对象看起，先看（2）

（2）Cell对象  
    @sun.misc.Contended static final class Cell \{  
        volatile long value;  
        Cell(long x) \{ value = x; \}  
        final boolean cas(long cmp, long val) \{  
            return UNSAFE.compareAndSwapLong(this, valueOffset, cmp, val);  
        \}

// Unsafe mechanics  
        private static final sun.misc.Unsafe UNSAFE;  
        private static final long valueOffset;  
        static \{  
            try \{  
                UNSAFE = sun.misc.Unsafe.getUnsafe();  
                Class<?> ak = Cell.class;  
                valueOffset = UNSAFE.objectFieldOffset  
                    (ak.getDeclaredField("value"));  
            \} catch (Exception e) \{  
                throw new Error(e);  
            \}  
        \}  
    \}

Cell 这个对象，实际上就是封装了一个volatile的long变量（volatile就是表示某人或某物是不稳定的、易变的），针对单个cell，也是有一个cas方法，然后更改这个变量唯一的方式通过cas。我们可以猜测到LongAdder的高明之处可能在于将之前单个节点的并发分散到各个节点的，这样从而提高在高并发时候的效率。

说明下volatile的作用：volatile作为java中的关键词之一，用以声明变量的值可能随时会别的线程修改，使用volatile修饰的变量会强制将修改的值立即写入主存，主存中值的更新会使缓存中的值失效(非volatile变量不具备这样的特性，非volatile变量的值会被缓存，线程A更新了这个值，线程B读取这个变量的值时可能读到的并不是是线程A更新后的值)。volatile会禁止指令重排。

总结:  
  LongAdder在AtomicLong的基础上将单点的更新压力分散到各个节点，在低并发的时候通过对base的直接更新可以很好的保障和AtomicLong的性能基本保持一致，而在高并发的时候通过分散提高了性能。   
  缺点是LongAdder在统计的时候如果有并发更新，可能导致统计的数据有误差。

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[70 5]: /images/20211205/9fe16b5d5dc24c3886f3bc28d80fc437.png
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[https_blog.csdn.net_qq_32998153_article_details_79529704]: https://blog.csdn.net/qq_32998153/article/details/79529704