【五】多线程 —— 共享模型之无锁

冷不防 2022-09-02 11:37 218阅读 0赞

Java中 `synchronized` 和 `ReentrantLock` 等 `独占锁` 就是 `悲观锁` 思想的实现。管程即`monitor`是阻塞式的`悲观锁`实现并发控制。

`AtomicInteger` 的内部并没有用锁来保护共享变量的线程安全，这是一种`乐观锁`的思想，说是锁实际没有锁，是一种`无锁`的实现。

最重要的无锁方式就是CAS(还有volatile，适用于一写多读的场景)，它使用原子操作来保证线程访问共享资源的安全性，相对于悲观锁思想的`synchronized`，`reentrantLock`来说, CAS的方式效率会更好!

我们来通过非阻塞式的乐观锁的来实现并发控制。

> # 一、CAS + 重试 的原理 #

从`AtomicInteger` 的内部说起：

@Override
    public void withdraw(Integer amount) { 
        // 核心代码
        // 需要不断尝试，直到成功为止
        while (true){ 
            // 比如拿到了旧值 1000
            int prev = balance.get();
            // 在这个基础上 1000-10 = 990
            int next = prev - amount;
            /* compareAndSet 保证操作共享变量安全性的操作: ① 线程A首先获取balance.get(),拿到当前的balance值prev ② 根据这个prev值 - amount值 = 修改后的值next ③ 调用compareAndSet方法, 首先会判断当初拿到的prev值,是否和现在的 balance值相同; 3.1、如果相同,表示其他线程没有修改balance的值, 此时就可以将next值 设置给balance属性 3.2、如果不相同,表示其他线程也修改了balance值, 此时就设置next值失败, 然后一直重试, 重新获取balance.get()的值,计算出next值, 并判断本次的prev和balnce的值是否相同...重复上面操作 */
            if (atomicInteger.compareAndSet(prev,next)){ 
                break;
            }
        }
    }

其中的关键是 `compareAndSwap`（比较并设置值），它的简称就是 CAS，它必须是原子操作。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MTIzMTkyOA_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
**流程 :**  
当一个线程要去修改Account对象中的值时，先获取值prev（调用get方法），然后再将其设置为新的值next（调用cas方法）。在调用cas方法时，会将prev与Account中的余额进行比较。

*  如果两者相等，就说明该值还未被其他线程修改，此时便可以进行修改操作。
 *  如果两者不相等，就不设置值，重新获取值prev（调用get方法），然后再将其设置为新的值next（调用cas方法），直到修改成功为止。

**注意 :**

*  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。

**为什么CAS+重试(无锁)效率高:**

*  使用CAS+重试—无锁情况下，即使重试失败，线程始终在高速运行，没有停歇，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。打个比喻：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。

**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 是基于乐观锁的思想
 *  synchronized 是基于悲观锁的思想
 *  CAS 体现的是无锁并发、无阻塞并发：①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；②但如果竞争激烈(写操作多)，可以想到重试必然频繁发生，反而效率会受影响

> # 二、原子整数 #

`java.util.concurrent.atomic`并发包提供了一些并发工具类：

*  `AtomicInteger`：整型原子类
 *  `AtomicLong`：长整型原子类
 *  `AtomicBoolean`：布尔型原子类

上面三个类提供的方法几乎相同，所以我们将以 AtomicInteger为例子来介绍。

public static void main(String[] args) { 
        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）
        // 函数式编程接口，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）
        // 函数式编程接口，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，返回更新前的值。
        // 函数式编程接口，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,返回更新后的值。
        // 函数式编程接口，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));
    }

举个例子: updateAndGet的实现

public static void main(String[] args) { 
    
    	AtomicInteger i = new AtomicInteger(5);
    	
        updateAndGet(i, new IntUnaryOperator() { 
            @Override
            public int applyAsInt(int operand) { 
                return operand / 2;
            }
        });
        System.out.println(i.get()); // 2
    }
    
    public static void updateAndGet(AtomicInteger i, IntUnaryOperator operator) { 
        while (true) { 
            int prev = i.get(); // 5
            int next = operator.applyAsInt(prev);
            if (i.compareAndSet(prev, next)) { 
                break;
            }
        }
    }

> # 三、原子引用 #

基本类型原子类只能更新一个变量，如果需要原子更新多个变量，需要使用引用类型原子类。

引用类型原子类保证引用类型的共享变量是线程安全的(确保这个原子引用没有引用过别人)。

*  `AtomicReference`
 *  `AtomicMarkableReference`
 *  `AtomicStampedReference` (可以解决ABA问题)

例子 : 使用原子引用实现BigDecimal存取款的线程不安全的实现过程：

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);
        }
    }

解决代码如下：在`AtomicReference`类中，存在一个`value`类型的变量，保存对`BigDecimal`对象的引用。

public class Test1 { 
        public static void main(String[] args) { 
            DecimalAccount.demo(new DecimalAccountCas(new BigDecimal("10000")));
        }
    }
    
    class DecimalAccountCas implements DecimalAccount { 
    
        //原子引用，泛型类型为小数类型
        private final AtomicReference<BigDecimal> balance;
    
        public DecimalAccountCas(BigDecimal balance) { 
            this.balance = new AtomicReference<>(balance);
        }
    
        @Override
        public BigDecimal getBalance() { 
            return balance.get();
        }
    
        @Override
        public void withdraw(BigDecimal amount) { 
            while (true) { 
                BigDecimal prev = balance.get();
                BigDecimal next = prev.subtract(amount);
                if (balance.compareAndSet(prev, next)) { 
                    break;
                }
            }
        }
    }
    
    
    interface DecimalAccount { 
        // 获取余额
        BigDecimal getBalance();
    
        // 取款
        void withdraw(BigDecimal 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(DecimalAccount account) { 
            List<Thread> ts = new ArrayList<>();
            for (int i = 0; i < 1000; i++) { 
                ts.add(new Thread(() -> { 
                    account.withdraw(BigDecimal.TEN);
                }));
            }
            ts.forEach(Thread::start);
            ts.forEach(t -> { 
                try { 
                    t.join();
                } catch (InterruptedException e) { 
                    e.printStackTrace();
                }
            });
            System.out.println(account.getBalance());
        }
    }

## 3.1 ABA 问题及解决 ##

public class Test1 { 
        static AtomicReference<String> ref = new AtomicReference<>("A");
        public static void main(String[] args) { 
            new Thread(() -> { 
                String pre = ref.get();
                System.out.println("change");
                try { 
                    other();
                } catch (InterruptedException e) { 
                    e.printStackTrace();
                }
                Sleeper.sleep(1);
                //把ref中的A改为C
                System.out.println("change A->C " + ref.compareAndSet(pre, "C"));
            }).start();
        }
    
        static void other() throws InterruptedException { 
            new Thread(() -> { 
            	// 此时ref.get()为A,此时共享变量ref也是A,没有被改过, 此时CAS
            	// 可以修改成功, B
                System.out.println("change A->B " + ref.compareAndSet(ref.get(), "B"));
            }).start();
            Thread.sleep(500);
            new Thread(() -> { 
            	// 同上, 修改为A
                System.out.println("change B->A " + ref.compareAndSet(ref.get(), "A"));
            }).start();
        }
    }

change
    change A->B true
    change B->A true
    change A->C true

开始时，主线程获取到ref的值为A，然后other方法中第一个线程把A改成B，第二个再把B改回A，回到主线程后没有对业务造成影响，但是这个值已经从A–>B–>A改了一回了。主线程仅能判断出共享变量的值与最初值 A是否相同，不能感知到这种从 A 改为 B 又改回 A 的情况。

**AtomicStampedReference (加版本号解决ABA问题)**  
如果主线程希望：只要有其它线程【动过】共享变量，那么自己的 cas 就算失败，这时，仅比较值是不够的，需要再加一个版本号。使用`AtomicStampedReference`来解决。

public class ABA02 { 
        //指定版本号
        static AtomicStampedReference<String> ref = new AtomicStampedReference<>("A", 0);
    
        public static void main(String[] args) { 
            new Thread(() -> { 
                String pre = ref.getReference();
                //获得版本号
                int stamp = ref.getStamp(); // 此时的版本号还是第一次获取的
                System.out.println("change");
                try { 
                    other();
                } catch (InterruptedException e) { 
                    e.printStackTrace();
                }
                try { 
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) { 
                    e.printStackTrace();
                }
                //把ref中的A改为C,并比对版本号，如果版本号相同，就执行替换，并让版本号+1
                System.out.println("change A->C stamp " + stamp + ref.compareAndSet(pre, "C", stamp, stamp + 1));
            }).start();
        }
    
        static void other() throws InterruptedException { 
            new Thread(() -> { 
                int stamp = ref.getStamp();
                System.out.println("change A->B stamp " + stamp + ref.compareAndSet(ref.getReference(), "B", stamp, stamp + 1));
            }).start();
            Thread.sleep(500);
            new Thread(() -> { 
                int stamp = ref.getStamp();
                System.out.println("change B->A stamp " + stamp + ref.compareAndSet(ref.getReference(), "A", stamp, stamp + 1));
            }).start();
        }
    }

change
    change A->B stamp 0true
    change B->A stamp 1true
    change A->C stamp 0false

**AtomicMarkableReference (标记cas的共享变量是否被修改过)**  
`AtomicStampedReference` 可以给原子引用加上版本号，追踪原子引用整个的变化过程，如：A -> B -> A ->C，通过`AtomicStampedReference`，我们可以知道，引用变量中途被更改了几次。

但是有时候，并不关心引用变量更改了几次，只是单纯的关心是否更改过，所以就有了`AtomicMarkableReference`

public class ABA04 { 
        //指定版本号
        static AtomicMarkableReference<String> ref = new AtomicMarkableReference<>("A", true);
    
        public static void main(String[] args) { 
            new Thread(() -> { 
                String pre = ref.getReference();
                System.out.println("change");
                try { 
                    other();
                } catch (InterruptedException e) { 
                    e.printStackTrace();
                }
                try { 
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) { 
                    e.printStackTrace();
                }
                //把str中的A改为C,并比对版本号，如果版本号相同，就执行替换，并让版本号+1
                System.out.println("change A->C mark " + ref.compareAndSet(pre, "C", true, false));
            }).start();
        }
    
        static void other() throws InterruptedException { 
            new Thread(() -> { 
                System.out.println("change A->A mark " + ref.compareAndSet(ref.getReference(), "A", true, false));
            }).start();
        }
    }

change
    change A->A mark true
    change A->C mark false

**AtomicStampedReference和AtomicMarkableReference两者的区别**

*  `AtomicStampedReference` 需要传入【整型变量】作为版本号，来判定是否被更改过，且改了几次
 *  `AtomicMarkableReference` 需要传入【布尔变量】作为标记，来判断是否被更改过

> # 四、原子数组 #

保证数组内的元素的线程安全。使用原子的方式更新数组里的某个元素。

*  `AtomicIntegerArray`：整形数组原子类
 *  `AtomicLongArray`：长整形数组原子类
 *  `AtomicReferenceArray`：引用类型数组原子类

普通数组内元素, 多线程访问造成安全问题：

public static void main(String[] args) { 
            demo(
                    () -> new int[10],
                    array -> array.length,
                    (array, index) -> array[index]++,
                    array -> System.out.println(Arrays.toString(array))
            );
        }
    
        /** * 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++) { 
                // 创建10个线程, 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);
        }

[8551, 8550, 8550, 8502, 8535, 8551, 9093, 9228, 9161, 9231]

使用`AtomicIntegerArray`来创建安全数组：

public static void main(String[] args) { 
            demo(
                    () -> new AtomicIntegerArray(10),
                    AtomicIntegerArray::length,
                    AtomicIntegerArray::getAndIncrement,
                    System.out::println
            );
        }
    
        /** * 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++) { 
                // 创建10个线程, 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);
        }

[10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000]

> # 五、字段更新器 #

保证多线程访问同一个对象的成员变量时, 成员变量的线程安全性。

*  `AtomicReferenceFieldUpdater` —引用类型的属性
 *  `AtomicIntegerFieldUpdater` —整形的属性
 *  `AtomicLongFieldUpdater` —长整形的属性

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。

Exception in thread "main" java.lang.IllegalArgumentException: Must be volatile type

例子：

public class AtomicFieldTest { 
        public static void main(String[] args) { 
            Student stu = new Student();
            // 获得原子更新器
          	// 泛型
          	// 参数1 持有属性的类 参数2 被更新的属性的类
          	// newUpdater中的参数：第三个为属性的名称
            AtomicReferenceFieldUpdater updater = AtomicReferenceFieldUpdater.newUpdater(Student.class, String.class, "name");
            // 期望的为null, 如果name属性没有被别的线程更改过, 默认就为null, 此时匹配, 就可以设置name为张三
            System.out.println(updater.compareAndSet(stu, null, "张三"));
            System.out.println(updater.compareAndSet(stu, stu.name, "王五"));
            System.out.println(stu);
        }
    }
    
    class Student { 
        volatile String name;
    
        @Override
        public String toString() { 
            return "Student{" +
                    "name='" + name + '\'' +
                    '}';
        }
    }

true
    true
    Student{ name='王五'}

> # 六、原子累加器 (LongAddr) #

*  `LongAddr`
 *  `LongAccumulator`
 *  `DoubleAddr`
 *  `DoubleAccumulator`

public static void main(String[] args) { 
            System.out.println("----AtomicLong----");
            for (int i = 0; i < 5; i++) { 
                demo(() -> new AtomicLong(), adder -> adder.getAndIncrement());
            }
    
            System.out.println("----LongAdder----");
            for (int i = 0; i < 5; i++) { 
                demo(() -> new LongAdder(), adder -> adder.increment());
            }
        }
    
        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，每个累加 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);
        }

----AtomicLong----
    20000000 cost:282
    20000000 cost:237
    20000000 cost:240
    20000000 cost:237
    20000000 cost:235
    ----LongAdder----
    20000000 cost:39
    20000000 cost:12
    20000000 cost:11
    20000000 cost:11
    20000000 cost:19

**LongAddr**  
性能提升的原因很简单，就是在有竞争时，设置多个累加单元(但不会超过cpu的核心数)，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。

**AtomicLong**  
之前AtomicLong等都是在一个共享资源变量上进行竞争, while(true)循环进行CAS重试, 性能没有LongAdder高

> # 七、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。

可以发现`AtomicInteger`以及其他的原子类, 底层都使用的是`Unsafe`类。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MTIzMTkyOA_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
使用底层的Unsafe实现原子操作：

public class Test { 
        public static void main(String[] args) throws Exception { 
            // 通过反射获得Unsafe对象
            Class unsafeClass = Unsafe.class;
            // 获得构造函数，Unsafe的构造函数为私有的
            Constructor constructor = unsafeClass.getDeclaredConstructor();
            // 设置为允许访问私有内容
            constructor.setAccessible(true);
            // 创建Unsafe对象
            Unsafe unsafe = (Unsafe) constructor.newInstance();
    
            // 创建Person对象
            Person person = new Person();
            // 获得其属性 name 的偏移量
            long nameOffset = unsafe.objectFieldOffset(Person.class.getDeclaredField("name"));
            long ageOffset = unsafe.objectFieldOffset(Person.class.getDeclaredField("age"));
    
            // 通过unsafe的CAS操作改变值
            unsafe.compareAndSwapObject(person, nameOffset, null, "okok");
            unsafe.compareAndSwapInt(person, ageOffset, 0, 22);
            System.out.println(person);
        }
    }
    
    class Person { 
        // 配合CAS操作，必须用volatile修饰
        volatile String name;
        volatile int age;
        
        @Override
        public String toString() { 
            return "Person{" +
                    "name='" + name + '\'' +
                    ", age=" + age +
                    '}';
        }
    }

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MTIzMTkyOA_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20220829/d2bb1375dc004c1999f441497d8785f4.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MTIzMTkyOA_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: /images/20220829/ab8b1a5bd46043a4aa333b2856310dd2.png