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2023-07-08
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共享模型之无锁

本章主要内容：

  • CAS 与 volatile
  • 原子整数
  • 原子引用
  • 原子累加器
  • Unsafe

# 1. 问题提出

有一个银行账户用来取钱，如何才能在多线程并发取钱时还能正确执行呢？如下代码所示，如何才能实现 getBalance() 和 withdraw() 方法呢？

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

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<>();
        
        long start = System.nanoTime();
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            ts.add(new Thread(() -> {
                account.withdraw(10);
            }));
        }
        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");
    }
}
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# 1.1 一种不安全的简单实现

但如下的一种简单实现是线程不安全的：


 
















class AccountUnsafe implements Account {
    private Integer balance;
    
    public AccountUnsafe(Integer balance) {
        this.balance = balance;
    }
    
    @Override
    public Integer getBalance() {
        return balance;
    }
    
    @Override
    public void withdraw(Integer amount) {
        balance -= amount;
    }
}
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# 1.2 思路 1 - synchronized 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 synchronized Integer getBalance() {
        return balance;
    }
    
    @Override
    public synchronized void withdraw(Integer amount) {
        balance -= amount;
    }
    
}
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# 1.3 思路 2 - 无锁（AtomicInteger）

这里的“余额”使用 AtomicInteger，它支持原子性的更新操作。这里注意一下 withdraw() 的实现。



 
























class AccountSafe implements Account {
    
    private AtomicInteger balance; //原子整数
    
    public AccountSafe(Integer balance) {
        this.balance = new AtomicInteger(balance);
    }
    
    @Override
    public Integer getBalance() {
        return balance.get();
    }
    
    @Override
    public void withdraw(Integer amount) {
        while (true) {
            int prev = balance.get();
            int next = prev - amount;
            if (balance.compareAndSet(prev, next)) {
                break;
            }
        }
        // 可以简化为下面的方法
        // balance.addAndGet(-1 * amount);
    }
}
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# 2. CAS 与 volatile

# 2.1 CAS

前面看到 AtomicInteger 内部没有使用锁来保护共享变量的线程安全，那它是如何实现的呢？

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;
            }
        }
    }
}
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其中的关键是 compareAndSet，它的简称就是 CAS（也有 Compare And Swap 的说法），它内部在 CPU 级别上实现了【比较-交换】的原子性。

# 2.2 volatile

我们看 AtomicInteger 的实现的话：

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可以看到他其中使用 volatile 来修饰它包装的 value。

为什么它要用 volatile 来修饰呢？之前我们获取共享变量时，为了保证该变量的可见性，需要使用 volatile 修饰，因为它可以用来修饰成员变量和静态成员变量，他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。

所以 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。

# 2.3 为什么 CAS 的效率相对更高

synchronized 和 cas（无锁） 没有绝对的谁效率高,要看所处的场景。

  • 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
  • 当然，无锁情况下，线程想要运行也需要 CPU 分给他时间片。

# 2.4 CAS 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。
  • 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、无阻塞并发，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

# 3. 原子整数

JUC 并发包提供了：

  • AtomicInteger
  • AtomicBoolean
  • AtomicLong

以 AtomicInteger 为例来看一下常用方法：

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）
// 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（i = 0, p 为 i 的当前值, x 为参数1, 结果 i = 10, 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
// 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（i = 10, p 为 i 的当前值, x 为参数1, 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.accumulateAndGet(-10, (p, x) -> p + x));
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# 4. 原子引用

为什么需要原子引用类型？因为我们想要保护的共享数据并不一定都是基本类型的，可能是 List 或 Map 等。

  • AtomicReference
  • AtomicMarkableReference
  • AtomicStampedReference

有下面一个例子，我们让“账户余额”使用 BigDecimal 类型，现在需要将 withdraw() 方法实现为线程安全的操作：

public 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());
    }
    
}
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# 4.1 不安全的实现

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);
    }
    
}
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# 4.2 安全实现 - 使用锁

可以给 withdraw() 方法加上 synchronized 来保护。

# 4.3 安全实现 - 使用 CAS AtomicReference

class DecimalAccountSafeCas implements DecimalAccount {
    AtomicReference<BigDecimal> ref;
    
    public DecimalAccountSafeCas(BigDecimal balance) {
        ref = new AtomicReference<>(balance);
    }
    
    @Override
    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;
            }
        }
    }
    
}
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测试一下可以发现，并发情况能也能正确执行。

# 4.4 ABA 问题及解决

# 4.4.1 什么是 ABA 问题

有如下这么一个共享变量：

static AtomicReference<String> ref = new AtomicReference<>("A");
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现在对其做 compareAndSet 操作，某个线程的 CAS 操作是“比较是否为 A，是的话就改成 B”，但是它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。因此如果希望：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。

# 4.4.2 AtomicStampedReference（维护版本号）

AtomicStampedReference 可以给原子引用加上版本号，用于追踪原子引用整个的变化过程，比如 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。

常用 API：

static AtomicStampedReference<String> ref = new AtomicStampedReference<>("A", 0);

public static void main(String[] args) {
    // 获取值 A
    String prev = ref.getReference();
    // 获取版本号
    int stamp = ref.getStamp();
    // CAS 操作
    ref.compareAndSet(prev, "C", stamp, stamp + 1)
}
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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。

# 4.4.3 AtomicMarkableReference（仅维护是否修改过）

用一个简单的例子来解释这个东西的使用。

假设我们有一个保洁阿姨和主人，主人负责检查垃圾袋是否满了，如果满了就换一个新垃圾袋，保洁阿姨负责倒空垃圾袋，当保洁阿姨倒空了垃圾之后，主人就不需要更换垃圾袋了。

先定义一个垃圾袋：

class GarbageBag {
    String desc;
    
    public GarbageBag(String desc) {
        this.desc = desc;
    }
    
    public void setDesc(String desc) {
        this.desc = desc;
    }
    
    @Override
    public String toString() {
        return super.toString() + " " + desc;
    }
    
}
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然后看一下示例代码：





















 






@Slf4j
public class TestABAAtomicMarkableReference {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        GarbageBag bag = new GarbageBag("装满了垃圾");
        // 参数2 mark 可以看作一个标记，表示垃圾袋满了
        AtomicMarkableReference<GarbageBag> ref = new AtomicMarkableReference<>(bag, true);
        
        log.debug("主线程 start...");
        GarbageBag prev = ref.getReference();
        log.debug(prev.toString());
        
        new Thread(() -> {
            log.debug("打扫卫生的线程 start...");
            bag.setDesc("空垃圾袋");
            ref.compareAndSet(bag, bag, true, false);  // 倒空垃圾袋，但还是那个旧垃圾袋
            log.debug(bag.toString());
        }).start();
        
        Thread.sleep(1000);
        log.debug("主线程想换一只新垃圾袋？");
        boolean success = ref.compareAndSet(prev, new GarbageBag("空垃圾袋"), true, false);  // 换一个新的垃圾袋
        log.debug("换了么？" + success);
        
        log.debug(ref.getReference().toString());
    }
}
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compareAndSet() 除了传入旧引用和新引用外，还要传入 expectedMark 和 newMark 来设置标记，这里标记（mark）就代表垃圾袋是否满了。

# 5. 原子数组

  • AtomicIntegerArray
  • AtomicLongArray
  • AtomicReferenceArray

对比一下普通数组的操作与原子数组的操作：

操作 普通数组 原子数组
初始化 new int[10] new AtomicIntegerArray(10)
对某个元素自增 array[index]++ array.getAndIncrement(index)
打印数组元素 System.out.println(Arrays.toString(array)) System.out.println(array)

# 6. 字段原子更新器 AtomicXXXFieldUpdater

刚刚的原子数组保护的是数组内的某个元素，这里的字段原子更新器保护的是成员变量，它能保证当多个线程共同访问同一对象的同一成员属性时的安全性。

  • AtomicReferenceFieldUpdater // 域字段
  • AtomicIntegerFieldUpdater
  • AtomicLongFieldUpdater

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

public class Test5 {
    private volatile int field;
    
    public static void main(String[] args) {
        AtomicIntegerFieldUpdater fieldUpdater =AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(Test5.class, "field");
        
        Test5 test5 = new Test5();
        fieldUpdater.compareAndSet(test5, 0, 10);
        // 修改成功 field = 10
        System.out.println(test5.field);
        // 修改成功 field = 20
        fieldUpdater.compareAndSet(test5, 10, 20);
        System.out.println(test5.field);
        // 修改失败 field = 20
        fieldUpdater.compareAndSet(test5, 10, 30);
        System.out.println(test5.field);
    }
}
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# 7. 原子累加器

虽然 AtomicInteger 也能实现一个原子累加器，但 JDK 8 之后增加了些专门用于做累加的原子类，包括 LongAdder 和 LongAccumulator，它们的性能都比 AtomicLong 的性能要好很多。

# 7.1 以 LongAdder 为例

LongAdder 的 increment() 方法便是用来自增。

实现原理的思路：相比于 AtomicLong 的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，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。

# 7.2 源码之 LongAdder

LongAdder 是并发大师 @author Doug Lea （大哥李）的作品，设计的非常精巧。

LongAdder 类有几个关键字段：

// 累加单元数组, 懒惰初始化
transient volatile Cell[] cells;

// 基础值, 如果没有竞争, 则用 cas 累加这个域
transient volatile long base;

// 在 cells 创建或扩容时, 置为 1, 表示加锁
transient volatile int cellsBusy;
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// 先跳过，原视频 LongAdder 原理 (opens new window)

# 8.Unsafe 类

取名 Unsafe 并不是说该类不安全，而是因为该类直接操作内存，比较复杂，意在告诉程序员使用该类有较大风险。

前面讲的 CAS、LockSupport 等类的底层实现都是使用了 Unsafe 来实现的。

# 8.1 概述

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。

下面的代码可以用于获取 Unsafe 类的对象：

public class UnsafeAccessor {
    static Unsafe unsafe;
    static {
        try { 
            Field theUnsafe = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
            theUnsafe.setAccessible(true);
            unsafe = (Unsafe) theUnsafe.get(null);
        } catch (NoSuchFieldException | IllegalAccessException e) {
            throw new Error(e);
        }
    }
    static Unsafe getUnsafe() {
        return unsafe;
    }
}
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# 8.2 Unsafe CAS 操作

这里借助 Unsafe 的一些 CAS 操作来实现对一个类中字段的安全修改：


import lombok.Data;
import sun.misc.Unsafe;

import java.lang.reflect.Field;

public class TestUnsafeCAS {

    public static void main(String[] args) throws NoSuchFieldException, IllegalAccessException {

//        Field theUnsafe = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
//        theUnsafe.setAccessible(true);
//        Unsafe unsafe = (Unsafe) theUnsafe.get(null);
        Unsafe unsafe = UnsafeAccessor.getUnsafe();
        System.out.println(unsafe);

        // 1. 获取域的偏移地址
        long idOffset = unsafe.objectFieldOffset(Teacher.class.getDeclaredField("id"));
        long nameOffset = unsafe.objectFieldOffset(Teacher.class.getDeclaredField("name"));

        Teacher t = new Teacher();
        System.out.println(t);

        // 2. 执行 cas 操作
        unsafe.compareAndSwapInt(t, idOffset, 0, 1);
        unsafe.compareAndSwapObject(t, nameOffset, null, "张三");

        // 3. 验证
        System.out.println(t);
    }
}

@Data
class Teacher {
    volatile int id;
    volatile String name;
}
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输出：

sun.misc.Unsafe@77556fd
Teacher(id=0, name=null)
Teacher(id=1, name=张三)
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3

# 9. 小结

这一章主要学习了一些无锁的数据结构

  • CAS 与 volatile
  • API
    • 原子整数
    • 原子引用
    • 原子数组
    • 字段更新器
    • 原子累加器
  • Unsafe
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共享模型之内存
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