五、共享模型之无锁
5.1 问题提出
有如下需求，保证 account.withdraw 取款方法的线程安全
interface Account { // 获取余额 Integer getBalance(); // 取款 void withdraw(Integer 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(Account account) { List<Thread> ts = new ArrayList<>(); for (int i = 0; i < 1000; i++) { ts.add(new Thread(() -> { account.withdraw(10); })); } long start = System.nanoTime(); ts.forEach(Thread::start); ts.forEach(t -> { try { t.join(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } }); long end = System.nanoTime(); System.out.println(account.getBalance() + " cost: " + (end-start)/1000_000 + " ms"); } }
原有实现并不是线程安全的
class AccountUnsafe implements Account { private Integer balance; public AccountUnsafe(Integer balance) { this.balance = balance; } @Override public Integer getBalance() { return this.balance; } @Override public void withdraw(Integer amount) { this.balance -= amount; } }
测试代码
public static void main(String[] args) { Account account = new AccountUnsafe(10000); Account.demo(account); }
执行测试代码，某次执行结果
280 cost: 82 ms
5.1.1 为么不安全
withdraw 方法是临界区，会存在线程安全问题
查看下字节码
ALOAD 0 // <- this ALOAD 0 GETFIELD cn/itcast/AccountUnsafe.balance : Ljava/lang/Integer; // <- this.balance INVOKEVIRTUAL java/lang/Integer.intValue ()I // 拆箱 ALOAD 1 // <- amount INVOKEVIRTUAL java/lang/Integer.intValue ()I // 拆箱 ISUB // 减法 INVOKESTATIC java/lang/Integer.valueOf (I)Ljava/lang/Integer; // 结果装箱 PUTFIELD cn/itcast/AccountUnsafe.balance : Ljava/lang/Integer; // -> this.balance
多线程在执行过程中可能会出现指令的交错，从而结果错误！
5.1.2 解决思路1 - 锁
首先想到的是给 Account 对象加锁
class AccountUnsafe implements Account{ private Integer balance; public AccountUnsafe(Integer balance) { this.balance = balance; } @Override public Integer getBalance() { return this.balance; } @Override public void withdraw(Integer amount) { synchronized (this){ this.balance -= amount; } } }
运行结果
0 cost: 122 ms
5.1.3 解决思路2 - 无锁
class AccountCas implements Account{ private AtomicInteger balance; public AccountCas(int balance) { this.balance = new AtomicInteger(balance); } @Override public Integer getBalance() { return balance.get(); } @Override public void withdraw(Integer amount) { while (true){ //获取金额的最新值 int prev = balance.get(); //要修改的金额 int next = prev - amount; //真正修改 if(balance.compareAndSet(prev,next)){ break; } } } }
运行结果
0 cost: 63 ms
5.2 CAS 与 volatile
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？
public void withdraw(Integer amount) { while(true) { // 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 正是做这个检查，在 set 前，先比较 prev 与当前值 - 不一致了，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 就作废了，进入 while 下次循环重试 - 一致，以 next 设置为新值，返回 true 表示成功 */ if (balance.compareAndSet(prev, next)) { break; } } } }
其中的关键是 compareAndSet，它的简称就是 CAS （也有 Compare And Swap 的说法），它必须是原子操作。
//判断期望值和当前主存中的值是否一致，如果一致则将其更新成update，否则继续重试 public final boolean compareAndSet(int expect,int update)
分析：
线程1拿到 balance后，进行-10运算 。在这个过程中，balance已经被线程2修改成90了。当线程1进行cas操作时，发现oldBalance和newBalance不一致，就放弃进行设置next，尝试进行下一轮
当进行到第三轮，cas比较时，发现oldBalance和newBalance一致，说明并没有被其他线程修改，就将balance更新成 next
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。
5.2.1 CAS和volatile的关系
获取共享变量时，为了保证该变量的可见性，需要使用 volatile 修饰。
它可以用来修饰成员变量和静态成员变量，可以避免线程从自己的工作缓存中查找变量的值，必须到主存中获取它的值，线程操作 volatile 变量都是直接操作主存。即一个线程对 volatile 变量的修改，对另一个线程可见。
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
**注意：**volatile 仅仅保证了共享变量的可见性，让其它线程能够看到最新值，但不能解决指令交错问题（不能保证原子性）
5.2.2 为什么无锁效率高
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。
所以CAS在多核CPU下才能发挥作用，而且线程数最好不要超过CPU数，否则也会发生上下文切换，影响效率。
5.2.3 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：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。（基于乐观锁，但本质上没有上锁）
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。
CAS 体现的是无锁并发（不加锁）、无阻塞并发(上下文切换少)，请仔细体会这两句话的意思
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
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
5.3 原子整数
J.U.C 并发包提供了：
AtomicBoolean
AtomicInteger
AtomicLong
以 AtomicInteger 为例
public class Test43 { public static void main(String[] args) { AtomicInteger i = new AtomicInteger(0); System.out.println(i.getAndIncrement());// i++ 结果 i = 1,返回 0 System.out.println(i.incrementAndGet());// ++i 结果 i = 2,返回 2 System.out.println(i.getAndDecrement());// i-- 结果 i = 1,返回 2 System.out.println(i.decrementAndGet());// --i 结果 i = 0,返回 0 System.out.println(i.getAndAdd(5));// 获取并加值 结果 i = 5, 返回 0 System.out.println(i.addAndGet(5));// 加值并获取 结果 i = 10,返回 10 System.out.println(i.updateAndGet(value -> value * 10));// 更新(+-*/)并获取 结果 i=100,返回100 System.out.println(i.getAndUpdate(value -> value / 2));// 获取并更新 结果 i=50,返回1002 System.out.println(i.get());//50 } }
updateAndGet()的原理
- 使用CAS实现updateAndGet（）方法
- 查看一下JDK的updateAndGet的方法源码，和咱们实现的几乎一样！Nice！
