Java并发--非阻塞同步
CAS问题引入
在并发问题中,最先想到的无疑是互斥同步,但线程阻塞和唤醒带来了很大的性能问题,同步锁的核心无非是防止共享变量并发修改带来的问题,但不是任何时候都有这样的竞争关系。
什么是CAS
CAS,比较并交换(Compare-and-Swap,CAS),如果期望值和主内存值一样,则交换要更新的值,也称乐观锁。
如线程甲从主内存中拷贝了变量A为1,在自己的线程中将副本A改为了10,当线程甲准备把这个变量更新到主内存时,如果主内存A的值不改变(期望值),还是1,那么线程甲成功更新主内存中A的值。但如果主内存A的值已经先被其他线程改掉不为1,那么线程甲不断地重试,直到成功为止(自旋)。
CAS来自哪
CAS属于J.U.C
包,调用的Unsafe
类中方法,这是一种硬件支持的原子性操作,不能被打断或停止,无需互斥同步。
以AtomicInteger下的getAndAddInt方法为例,U即Unsafe类。
/**
* @param expectedValue 期望值
* @param newValue 新值
* @return 比价更新是否成功.
*/
public final int incrementAndGet() {
return U.getAndAddInt(this, VALUE, 1) + 1;
}
再往下看,通过 getIntVolatile(o, offset) 得到以前的值v,通过调用 weakCompareAndSetInt()
来进行 CAS 比较,如果该字段内存地址中的值等于 v,那么就更新内存地址为 o+offset的变量为 v + delta。getAndAddInt()方法 在一个循环中进行,发生冲突的做法是不断的进行重试。
/**
* @param o 更新字段/元素的对象/数组
* @param offset 字段/元素偏移量
* @param delta 要添加的值,步长
* @return 以前的值
* @since 1.8
*/
@HotSpotIntrinsicCandidate
public final int getAndAddInt(Object o, long offset, int delta) {
int v;
do {
v = getIntVolatile(o, offset);
} while (!weakCompareAndSetInt(o, offset, v, v + delta));
return v;
}
运行代码示例
线程t1,t2,同时修改主内存的一变量值,人为的让B快与A
public class TestCAS {
// 主内存atomicInteger初始值为1
public static AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(1);
public static void main(String[] args) {
// A线程计划将值改为10,先休眠2s,再比较交换
new Thread(() -> {
try { TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("当前线程: "+Thread.currentThread().getName()+"比较交换结果:"
+atomicInteger.compareAndSet(1, 10)+" 现在值为:"+atomicInteger.get());
},"t1").start();
// B线程计划将值改为10,不休眠
new Thread(() -> {
System.out.println("当前线程: "+Thread.currentThread().getName()+"比较交换结果:"
+atomicInteger.compareAndSet(1, 20)+" 现在值为:"+atomicInteger.get());
},"t2").start();
}
}
控制台
当前线程: t2比较交换结果:true 现在值为:20
当前线程: t1比较交换结果:false 现在值为:20
这样不用加同步锁,就实现了变量的并发修改带来的问题。
如果你的好朋友向你借走了10块,第二天他又还给你了10块,如果的你的朋友只是为了买包零食,你可能不会在乎,如何他用那10块中了大奖,你可能会有些着急了...
ABA问题引入
上个代码中,存在一个问题。如:t1,t2线程都拷贝到变量atomicInteger=1,如果B线程优先级较高或运气好,第一次,t2先将atomicInteger修改为20并成功写入主内存,接着t2又拷贝到atomicInteger=20,将副本又改为1,并成功写回主内存。第三次,t1拿到主内存atomicInteger的值。可这个值已经被t2修改过两次,会有问题吗?
imageABA问题
如果一个变量初次读取的时候是 A 值,它的值被改成了 B,后来又被改回为 A,那 CAS 操作就会误认为它从来没有被改变过。
ABA解决
-
互斥同步锁synchronized
-
如果项目只在乎数值是否正确, 那么ABA 问题不会影响程序并发的正确性。
-
J.U.C 包提供了一个带有时间戳的原子引用类
AtomicStampedReference
来解决该问题,它通过控制变量的版本来保证 CAS 的正确性。
AtomicStampedReference代码示例
public class SolveCAS {
// 主内存共享变量,初始值为1,版本号为1
private static AtomicStampedReference<Integer> atomicStampedReference = new
AtomicStampedReference<>(1, 1);
public static void main(String[] args) {
// t1,期望将1改为10
new Thread(() -> {
// 第一次拿到的时间戳
int stamp = atomicStampedReference.getStamp();
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 第1次时间戳:"+stamp+" 值为:"+atomicStampedReference.getReference());
// 休眠5s,确保t2执行完ABA操作
try { TimeUnit.SECONDS.sleep(5); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }
// t2将时间戳改为了3,cas失败
boolean b = atomicStampedReference.compareAndSet(1, 10, stamp, stamp + 1);
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" CAS是否成功:"+b);
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 当前最新时间戳:"+atomicStampedReference.getStamp()+" 最新值为:"+atomicStampedReference.getReference());
},"t1").start();
// t2进行ABA操作
new Thread(() -> {
// 第一次拿到的时间戳
int stamp = atomicStampedReference.getStamp();
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 第1次时间戳:"+stamp+" 值为:"+atomicStampedReference.getReference());
// 休眠,修改前确保t1也拿到同样的副本,初始值为1
try { TimeUnit.SECONDS.sleep(1); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }
// 将副本改为20,再写入,紧接着又改为1,写入,每次提升一个时间戳,中间t1没介入
atomicStampedReference.compareAndSet(1, 20, stamp, stamp + 1);
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 第2次时间戳:"+atomicStampedReference.getStamp()+" 值为:"+atomicStampedReference.getReference());
atomicStampedReference.compareAndSet(20, 1, atomicStampedReference.getStamp(), atomicStampedReference.getStamp() + 1);
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 第3次时间戳:"+atomicStampedReference.getStamp()+" 值为:"+atomicStampedReference.getReference());
},"t2").start();
}
}
控制台
t1 第1次时间戳:1 值为:1
t2 第1次时间戳:1 值为:1
t2 第2次时间戳:2 值为:20
t2 第3次时间戳:3 值为:1
t1 CAS是否成功:false
t1 当前最新时间戳:3 最新值为:1
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