Java多线程与并发编程(4)_CAS与原子类

落日映苍穹つ 2023-02-19 07:28 21阅读 0赞

# Java多线程共享模型之乐观锁（CAS与Atomic原子类） #

### 文章目录 ###

*  Java多线程共享模型之乐观锁（CAS与Atomic原子类）
 *   *  背景
     *  CAS分析
     *  \_Atomic原子类
     *   *  ABA问题
         *  AtomicStampedReference版本号
         *  原子数组AtomicIntegerArray
         *  原子类常见操作

乐观锁的概念是相对于轻量级锁、偏向锁、重量级锁而言的

乐观锁本身是一种有锁似无锁的状态

CAS需要配合valiate使用，即保证共享变量的可见性

## 背景 ##

有个账户，有两个功能，取款和查询余额，如何保证多线程同时取款不会出现并发问题？

**账户接口**：

interface DecimalAccount{
        
        //获取余额
        BigDecimal getBalance() ;
        //取款
        void withdraw(BigDecimal account) ;
    	
        //模拟多线程取款
        static void demo(DecimalAccount account){
        
            List<Thread> ts = new ArrayList<>() ;
            /**
             * 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
             */
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
        
                ts.add(new Thread(()->{
        
                    account.withdraw(BigDecimal.TEN);
                }));
            }
            ts.forEach(Thread::start);
            ts.forEach(t->{
        
                   t.join(); 
            System.out.println(account.getBalance());
        }
    }

线程不安全的实现：

public void withdraw(BigDecimal amount) {
        
            BigDecimal balance = this.getBalance() ;
            this.balance = balance.subtract(amount) ;
        }
    }

解决方案一：重量锁

synchronized (lock){
        
                BigDecimal balance = this.getBalance() ;
                this.balance = balance.subtract(amount) ;
            }

解决方案二：采用CAS操作（不加锁/乐观锁）

//CAS
        AtomicReference<BigDecimal> ref ;
    
        public BigDecimal getBalance() {
        
            return  ref.get() ;
        }
        @Override
        public void withdraw(BigDecimal amount) {
        
             while (true){
        
                 BigDecimal prev = ref.get() ;
                 BigDecimal next = prev.subtract(amount) ;
                 if (ref.compareAndSet(prev,next)) break;
         }

## CAS分析 ##

前面看到的 AtomicInteger 的解决方法，内部并没有用锁来保护共享变量的线程安全。那么它是如何实现的呢？

主要是这一句

`if (ref.compareAndSet(prev,next)) break;`

*  compareAndSet 正是做这个检查，在 set 前，**先比较 prev 与ref在内存中的最新值**
 *  **若不一致，next 作废，返回 false 表示失败**。比如，别的线程已经做了减法，当前值已经被减成了 990，那么本线程的这次 990 （next）就作废了，进入 while 下次循环重试
 *  **若一致，以 next 设置为新值，返回 true 表示成功**

**compareAndSet，它的简称就是 CAS （也有 Compare And Swap 的说法），它必须是原子操作**

![format_png][]

> 注意：
> 
> 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
> 
>  *  **lock（锁定）**：作用于主内存的变量，把一个变量标识为一条线程独占状态
> 
> 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。
> 
> 《计组-总线嗅探机制》
> 
> **CAS 必须借助 volatile 才能读取到共享变量的最新值来实现【比较并交换】的效果**

CAS在竟态条件不严重时效率高

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

*  CAS 是基于乐观锁的思想：最乐观的估计，不怕别的线程来修改共享变量，就算改了也没关系，我吃亏点再重试呗。
 *  synchronized 是基于悲观锁的思想：最悲观的估计，得防着其它线程来修改共享变量，我上了锁你们都别想改，我改完了解开锁，你们才有机会。

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。

*  **但如果竞争激烈，可以想到重试必然频繁发生，反而效率会受影响**

## \_Atomic原子类 ##

### ABA问题 ###

所谓ABA，就是线程1要将"A"改为"C"，假定线程2在线程1执行完毕之前把“A”改为“B”又改为“A”。 此时线程1无法得知共享变量”A“被修改过，CAS执行仍会成功

public class TestABA {
        
        static AtomicReference<String> ref = new AtomicReference<>("A");
    
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        
            System.out.println("主线程开始");
            String prev = ref.get() ;
            //A->B->A
            AtoBtoA();
            Thread.sleep(1000);
            //change A -> C
            //prev = A1 实际上内存中是A2 CAS以为是prev是最新值
            boolean c = ref.compareAndSet(prev, "C");
            System.out.println("change A->C"+c);
        }
    
        private static void AtoBtoA() throws InterruptedException {
        
            //A->B
            new Thread(()->{
        
                String prev = ref.get();
                boolean b = ref.compareAndSet(prev, "B");
                System.out.println("change A->B"+b);
            }).start();
            Thread.sleep(500);
    		//B->A
            new Thread(()->{
        
                String prev = ref.get();
                boolean a = ref.compareAndSet(prev, "A");
                System.out.println("change B->A"+a);
            }).start();
        }
    }
    //
    主线程开始
    change A->Btrue
    change B->Atrue
    change A->Ctrue

### AtomicStampedReference版本号 ###

希望：

只要有其它线程【动过了】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

**AtomicStampedReference**

public class SolveABA {
        
        //arg2（0） = 版本号
        static AtomicStampedReference<String> ref = new AtomicStampedReference<>("A",0);
    
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        
            System.out.println("主线程开始");
            String prev = ref.getReference() ;
            //获取版本号
            int stamp = ref.getStamp();
            System.out.println("主版本号为"+stamp);
            AtoBtoA();
            Thread.sleep(1000);
            boolean c = ref.compareAndSet(prev, "C", stamp, stamp + 1);
            //change ->C
            System.out.println("change A->C"+c);
        }
    
        private static void AtoBtoA() throws InterruptedException {
        
    
            new Thread(()->{
        
                String prev = ref.getReference();
                boolean b = ref.compareAndSet(prev, "B", ref.getStamp(), ref.getStamp() + 1);
                System.out.println("change A->B"+b);
            }).start();
            Thread.sleep(500);
            new Thread(()->{
        
                String prev = ref.getReference();
                boolean a = ref.compareAndSet(prev, "A", ref.getStamp(), ref.getStamp() + 1);
                System.out.println("change B->A"+a);
            }).start();
        }
    }

> 结果：
> 
> 主版本号为0  
> change A->Btrue  
> change B->Atrue  
> change A->Cfalse

通过AtomicStampedReference，我们可以知道，引用变量中途被更改了几次

### 原子数组AtomicIntegerArray ###

原子整数只对单个值的共享变量有用，但并不保证集合、数组内元素的线程安全，可以使用AtomicIntegerArray保证集合或数组内各元素线程安全

以下代码可以测试数组是否线程安全，该方法将启动多个线程对数组内各个元素进行自增操作

如数组内十个元素初始值为0，十个线程将数组内十个元素自增10000次，线程安全的结果应该为

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

public class TestAtomicArray {
        
        /*测试数组安全性的通用方法，采用函数式编程提供参数即可*/
        /**
         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() ;
            Integer length = lengthFun.apply(array);
    
            for (int i = 0; i < length ; i++) {
        
                //每个线程对数组作10000次操作
                ts.add(new Thread(()->{
        
                    for (int j = 0; j < 10000; j++) {
        
                        //取模是为了均摊在数组的每个元素上
                        putConsumer.accept(array,j%length);
                    }
                }));
            }
            ts.forEach(t -> t.start()); // 启动所有线程
            ts.forEach(t -> {
        
                    t.join();
            });
            printConsumer.accept(array);
        }

**不安全验证**：

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

> 结果：
> 
> \[9224, 9254, 9278, 9262, 9248, 9252, 9278, 9280, 9233, 9293\]

**安全验证**：

//安全的
            demo(
                    ()->new AtomicIntegerArray(10),
                    (array)->array.length(),
                    (array,index)->array.getAndIncrement(index),
                    array-> System.out.println(array)
            );

> 结果：
> 
> \[10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000\]

### 原子类常见操作 ###

package com.Thread;
    
    import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
    import java.util.concurrent.atomic.AtomicMarkableReference;
    
    public class TestAutomic {
        
    
        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());
    
            /* 获取并更新（i = 0, p 为 i 的当前值, 结果 i = -2, 返回 0）
             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）
             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/计算并获取*/
            //p = i ; x = 10 ;
            System.out.println(i.getAndAccumulate(10, (p, x) -> p + x));
            //p = i ; x = 10 ;
            System.out.println(i.accumulateAndGet(10, (p, x) -> p + x));
        }
    }

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