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线程安全之原子性

线程安全之原子性

作者: treezhu | 来源:发表于2020-08-13 10:29 被阅读0次

    一:非原子性的原因

    先举个栗子:

    上述例子中,可以看到,for循环下建立3个线程分别调用value++操作,每个线程调用10000,经过分析,最后输出value的值应该是30000,运行之后结果如下:

    多次运行之后,可以发现,最后输出的value的值大多数情况下都是小于30000的,这是因为什么原因呢?

    使用javap反编译a++的类,可以看到:

    a++操作并不是一次操作,反编译之后的字节码指令操作是四步,也就是说a++操作本身不是原子性的;下面分析下每步操作:

    1. getfield

    看上图,第一步是从堆内存中获取a=0的值,放到操作数栈中,因为a=0是属于类下面的变量,所以是类实例化后,在堆内存中。

    2. iconst_1

    iconst_1是把数字1放到操作数栈中。

    3. iadd

    iadd操作是把操作数栈中的0和1,拿出来在CPU中计算,计算完成后把值放到操作数栈中。

    4. putfield

    计算完成后的值,把堆内存中的值修改为1。

    注意:原子性,就是一个操作或者多个操作,执行的顺序不能改变,也不能被分割只执行其中的一部分;原子性操作,整个资源的操作是一体的,要么执行成功,要么全部失败。

    使用volatile修饰value时只能保证可见性,getfield读取到的一定是最新值,但不能保证原子性

    二:CAS(compare and swap)机制

    CAS机制属于硬件的同步原语,即硬件操作内存的指令,是原子性的。

    CAS机制在去修改内存中的值时,会传两个参数,一个旧值,一个新值,若旧值和内存中的值一致,就把内存中的值替换为新值,否则内存中的值不做改变。

    以上图举例子说明:假设T1线程和T2线程都执行CAS(0,1),想把内存中a的值修改为1,再假设T2线程稍后于T1线程执行,那么当T1线程执行成功,把a的值修改为1后,T2线程还在继续执行,而T2线程也是把a修改为1,这个时候就出现了问题,最后修改的值是一样的,也就是说T2线程的a++操作被分割了,在T1还未执行完之前,a的值为0,T1执行完后,a的值变为了1,所以a++操作不是原子性的。

    三:解决非原子性问题

    3.1 synchronized关键字

    在方法的前面加上synchronized可以解决非原子性

    3.2 Lock锁

    3.3 AtomicInteger

    3.4 Unsafe类

        Unsafe可以让我们直接去管理内存,操作内存中的数据,因为Unsafe是final类,并且构造函数是私有的,所以不能直接实例化Unsafe。需要通过反射去实例化Unsafe。

    四:CAS中存在的问题

    1. CAS只能对单个变量进行操作,不能对多个变量实现原子性操作;

    2. CAS自旋,可能会导致很多线程处于高频运行的状态,去争抢CPU,这样会带来CPU性能的损耗,(CAS失败,一直去重试);

    3. ABA问题,不能准确的看出变量的变化。

    五:ABA问题及解决ABA问题

            假设T1线程和T2线程都去执行CAS(0, 1),假设T1先与T2执行,再T1执行完CAS(0, 1)把a的值修改为1后,又继续执行了CAS(1, 0),把a的值又改回了0,那么本来T2线程应该执行失败,可是却可能执行成功了。

    六:java.util.concurrent包内元素

    1. AtomicIntegerFieldUpdater,AtomicLongFieldUpdater,AtomicReferenceFieldUpdater;更新器,可以让volatile修饰的变量变成原子性的。

    2. LongAdder,DoubleAdder计数器,可以加也可以减,使用方法如下:

    3. LongAccumulator,DoubleAccumulator计数器,可以自定义规则,使用方法如下:

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