并发之atomic与CAS自旋锁
通过前几章的讲解我们知道i++这种类似操作是不安全的。针对这种情况，我们可能会想到利用synchronize关键字实现线程同步，保证++操作的原子性，的确这是一种有效的方法，但我们还有一种选择--AtomicInteger。
AtomicInteger解析
源码
成员解析
private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
private static final long valueOffset;
static {
try {
valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
(AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
} catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}
private volatile int value;
- Unsafe 类是用来在任意内存地址位置处读写数据，可见，对于普通用户来说，使用起来还是比较危险的。
- valueOffset 表示该变量在内存中的地址。
- value;当前类中存储的值
方法
两个构造方法，赋初始值,不传参数则默认为0
public AtomicInteger(int initialValue) {
value = initialValue;
}
public AtomicInteger() {
}
取值和设置值
这个值是volatile的所以是能保证可见性的
public final int get() {
return value;
}
public final void set(int newValue) {
value = newValue;
}
特殊取值和赋值。
该方法时用常规方式赋值，不能保证变量可见性。
public final void lazySet(int newValue) {
unsafe.putOrderedInt(this, valueOffset, newValue);
}
既然用volatile修饰了那么常规赋值方式到底有什么用呢？
首先volatile关键字这一章中将到
- volatile变量的读操作，会强制使CPU缓存失效，强制从内存读取变量。
- 写volatile变量，会强制刷新CPU写缓冲区，把缓存数据写到主内存。
而这些都是通过内存屏障实现的。如果该AtomicInteger在锁中，而锁住的代码块并不会产生可见性问题，那么volatile的操作会让系统添加多个屏障。而使用lazySet()就是在不需要让共享变量的修改立刻让其他线程可见的时候，以设置普通变量的方式来修改共享状态，可以减少不必要的内存屏障，从而提高程序执行的效率。
该方法将新值设置进去的同时将旧值返回回来
public final int getAndSet(int newValue) {
return unsafe.getAndSetInt(this, valueOffset, newValue);
}
比较期望值并且更新该值 原子操作
public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}
//示例
@Test
public void compareAndSetTest(){
AtomicInteger a = new AtomicInteger(10);
a.compareAndSet(10,15);
log.info("{}",a.get());
a.weakCompareAndSet(10,12);
log.info("{}",a.get());
}
结果：
13:42:36.391 [main] INFO atomic.AtomicIntegerApiExample - 15
13:42:36.404 [main] INFO atomic.AtomicIntegerApiExample - 15
可以看到第二个语句没有替换成功
比较并且更新，和lazySet一样用于锁中
public final boolean weakCompareAndSet(int expect, int update) {
return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}
原子减操作
//先获取后再加1
public final int getAndIncrement() {
return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
}
public final int getAndAdd(int delta) {
return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta);
}
//先加后获取
public final int incrementAndGet() {
return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
}
public final int addAndGet(int delta) {
return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta) + delta;
}
//减1操作
public final int getAndDecrement() {
return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, -1);
}
//先减1然后获取
public final int decrementAndGet() {
return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, -1) - 1;
}
对数据执行方法更新。
传入一个lambda算法，然后按照该算法更新数据。将当前数据更新为
public final int updateAndGet(IntUnaryOperator updateFunction) {
int prev, next;
do {
//取值
prev = get();
//做操作
next = updateFunction.applyAsInt(prev);
//原子替换
} while (!compareAndSet(prev, next));
return next;
}
//演示
//读取atomicInteger里面的值做lambda表达式的操作。
//
public void updateAndGetTest(){
AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(10);
IntUnaryOperator updateFunction = (a)->a*5+3;
atomicInteger.updateAndGet(updateFunction);
assert Objects.equals(atomicInteger.get(),53);
}
两个参数负责运算。
public final int getAndAccumulate(int x,
IntBinaryOperator accumulatorFunction) {
int prev, next;
do {
prev = get();
next = accumulatorFunction.applyAsInt(prev, x);
} while (!compareAndSet(prev, next));
return prev;
}
public final int accumulateAndGet(int x,
IntBinaryOperator accumulatorFunction) {
int prev, next;
do {
prev = get();
next = accumulatorFunction.applyAsInt(prev, x);
} while (!compareAndSet(prev, next));
return next;
}
//示例
@Test
public void getAndAccumulateTest(){
AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(10);
IntBinaryOperator intBinaryOperator = (a,b)->(b-a)*2;
atomicInteger.accumulateAndGet(2,intBinaryOperator);
System.out.println(atomicInteger.get());
}
字符串方法 取值方法
public String toString() {
return Integer.toString(get());
}
public int intValue() {
return get();
}
public long longValue() {
return (long)get();
}
public float floatValue() {
return (float)get();
}
public double doubleValue() {
return (double)get();
}
CAS机制
定义
比如自增1算法中
public final int getAndIncrement() {
return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
}
AndAddInt的底层逻辑是什么
public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
int var5;
do {
var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
} while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));
return var5;
}
我们看到了一个方法的调用compareAndSwap,取这三个单词的首字母即为CAS。
他具体是怎么操作的呢。
var1 AtomicInteger对象本身。
var2 该对象值得引用地址。
var4 需要变动的数量。
var5 是用过var1 var2 找出的主内存中真实的值。
用该对象当前的值与var5比较，如果相同 更新var5+var4并且返回true,如果不相同继续取值然后在比较，直到更新完成。
简单的来说：
CAS （CompareAndSwap） 比较当前工作内存中的值和主内存中的值，如果相同则执行规定操作，否则继续比较直到主内存和工作内存中的值一致为止.
这个CAS方法是原子性的在加上该变量由于使用了volatile修饰所以也可以保证可见性和有序性，可以模拟一个锁。通过这种比较的方式可以有效的减少锁带来的性能降低的问题。
问题
这么做并不是十全十美的，这里有2个比较大的问题。
并发竞争
在并发竞争比较严重的场合会严重的增加cpu的运算量。
在并发竞争不严重的场合中CAS的并发处理速度是远远高于锁的,但是在竞争比较严重的场合中，因为每个线程都在执行循环判断，所以会消耗大量cpu的运算能力。在这种情况下synchronized反而是一个更好的选择。
ABA
可能出现了一个线程修改了该数据另外一个线程又修改了回来，第三个线程并没有发现该变量变化过了。即ABA问题。
我们先来看一个例子：
private static AtomicInteger atomicInt = new AtomicInteger(100);
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
executorService.execute(()->{
//进行一次ABA操作
atomicInt.compareAndSet(100, 101);
atomicInt.compareAndSet(101, 100);
});
executorService.execute(()->{
try {
//等待ABA执行完毕
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
//判断ABA向他婆娘个则替换 返回替换结果
boolean c3 = atomicInt.compareAndSet(100, 101);
//true
System.out.println(c3);
});
executorService.shutdown();
}
从上述例子中可以看出atomicInt并没有意识到自己的100与原始的100有什么差别，并且被替换成功。
举个现实中的栗子：你非常渴的情况下你发现一个盛满水的杯子，你一饮而尽。之后再给杯子里重新倒满水然后下无色无味的毒。然后你离开，当杯子的真正主人回来时看到杯子还是盛满水，他当然不知道是否被人喝完重新倒满。他只知道杯子和水还是原来的样子。这是他喝下了水，中毒了。
这里就引申出了一个问题：ABA到底会发生在什么样的数据结构中。会产生错误呢呢？
@Test
public void testABA(){
AtomicInteger a = new AtomicInteger(10);
int x = a.hashCode();
log.info("a= {} code={}",a.get(),x);
AtomicInteger b = a;
a.set(20);
int y = a.hashCode();
log.info("a= {} code={}",a.get(),y);
log.info("res={}",b.equals(a));
}
11:53:24.257 [main] INFO atomic.AtomicIntegerApiExample - a= 10 code=2007331442
11:53:24.267 [main] INFO atomic.AtomicIntegerApiExample - a= 20 code=2007331442
11:53:24.267 [main] INFO atomic.AtomicIntegerApiExample - res=true
通过上述的例子可以看到a引用并没有变化，但是引用的对象其中的值发生了变化那么实际上他a的应用还是a的引用然而引用的对象却不是原始对象了。这就好比被"调包“了。
当然ABA 问题，表面上上不会影响你的业务逻辑，但是在有些情况下，发生这种中途 “调包” 的事情，还是会有影响。
如何避免ABA问题：
通常的做法是在CAS的每一次操作上添加一个版本号。每次不仅比较引用而且需要对比版本号。当两者都相同时才能确认A就是A,而不是ABA。
幸好JDK中提供了AtomicStampedReference用于解决ABA的问题。
//值以及初级版本号
private static AtomicStampedReference<Integer> atomicStampedRef = new AtomicStampedReference<Integer>(100, 0);
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
executorService.execute(()->{
atomicStampedRef.compareAndSet(100, 101,
atomicStampedRef.getStamp(), atomicStampedRef.getStamp()+1);
atomicStampedRef.compareAndSet(101, 100,
atomicStampedRef.getStamp(), atomicStampedRef.getStamp()+1);
});
executorService.execute(()->{
int stamp = atomicStampedRef.getStamp();
// stamp = 0
System.out.println("before sleep : stamp = " + stamp);
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("after sleep : stamp = " + atomicStampedRef.getStamp());//stamp = 1
boolean c3 = atomicStampedRef.compareAndSet(100, 101, stamp, stamp+1);
System.out.println(c3); //false
});
executorService.shutdown();
}
结果
before sleep : stamp = 0
after sleep : stamp = 2
false
我们可以看到版本号由0变成了2
结果也是不相同。可以说缓解了ABA的问题。
总结
首先将了AtomicInteger的API解释了一遍 然后通过了解该类时如何保证并发的，引出了CAS。然后解释了cas原理用法以及CAS的问题并演示了demo.
这里的CAS机制是一种自旋锁。通过不停的自旋获取更新锁。