java多线程之CAS无锁

1.背景

加锁确实能解决线程并发的的问题,但是会造成线程阻塞等待等问题

那么有没有一种方法,既可以线程安全,又不会造成线程阻塞呢?

答案是肯定的......请看如下案例

注意:重要的文字说明,写在了代码注释上,这样便于大家理解,请阅读代码和注释加以理解;

2.取钱案例引出问题

启动10000个线程,每个线程减去10元

原来账户共10000 0元

正常情况账户最后的余额应该是0元

测试多线程并发问题

先定义一个通用的接口,后面使用不同实现来测试

账户Money接口:

package com.ldp.demo05;

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

/**
 * @author 姿势帝-博客园
 * @address https://www.cnblogs.com/newAndHui/
 * @WeChat 851298348
 * @create 02/16 8:14
 * @description
 */
public interface Money {
    // 获取余额
    Integer getBalance();

    // 取款
    void reduce(Integer amount);

    /**
     * 启动10000个线程,每个线程减去10元
     * 原来账户共10000 0元
     * 正常情况应该是0元
     * 测试多线程并发问题
     *
     * @param account
     */
    static void handel(Money account) {
        List<Thread> ts = new ArrayList<>();
        long start = System.nanoTime();
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            ts.add(new Thread(() -> {
                account.reduce(10);
            }));
        }
        ts.forEach(Thread::start);
        ts.forEach(t -> {
            try {
                t.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
        long end = System.nanoTime();
        System.out.println("当前余额:" + account.getBalance()
                + " ,耗时: " + (end - start) / 1000_000 + " ms");
    }
}

2.1.存在线程安全的解决方案

package com.ldp.demo05.impl;

import com.ldp.demo05.Money;

/**
 * @author 姿势帝-博客园
 * @address https://www.cnblogs.com/newAndHui/
 * @WeChat 851298348
 * @create 02/16 8:17
 * @description
 */
public class UnSafeMoney implements Money {
    private Integer balance;

    public UnSafeMoney(Integer balance) {
        this.balance = balance;
    }

    @Override
    public Integer getBalance() {
        return balance;
    }

    @Override
    public void reduce(Integer amount) {
        // 存在线程不安全
        balance -= amount;
    }
}

2.2.使用传统锁的解决方案

package com.ldp.demo05.impl;

import com.ldp.demo05.Money;

/**
 * @author 姿势帝-博客园
 * @address https://www.cnblogs.com/newAndHui/
 * @WeChat 851298348
 * @create 02/16 8:17
 * @description
 */
public class SyncSafeMoney implements Money {
    private Integer balance;

    public SyncSafeMoney(Integer balance) {
        this.balance = balance;
    }

    @Override
    public Integer getBalance() {
        return balance;
    }

    @Override
    public synchronized void reduce(Integer amount) {
        // 当前对象加锁 安全
        balance -= amount;
    }
}

2.3.使用CAS无锁的解决方案

package com.ldp.demo05.impl;

import com.ldp.demo05.Money;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

/**
 * @author 姿势帝-博客园
 * @address https://www.cnblogs.com/newAndHui/
 * @WeChat 851298348
 * @create 02/16 8:30
 * @description <p>
 * 无锁的思路
 *
 * </p>
 */
public class CASSafeMoney implements Money {
    private AtomicInteger balance;

    public CASSafeMoney(Integer balance) {
        this.balance = new AtomicInteger(balance);
    }

    @Override
    public Integer getBalance() {
        return balance.get();
    }

    /**
     * compareAndSet 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
     * <p>
     * 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。
     * <p>
     * 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。
     * 1.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，重试在执行【修改】。
     * 2.synchronized 是基于悲观锁的思想：最悲观的估计，防着其它线程来修改共享变量，当前线程上锁后，其他线程阻塞等待。
     * 3.CAS 体现的是【无锁并发、无阻塞并发】。
     * 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，反而频繁切换上下文，效率会受影响。
     * 4.特别注意：
     * 无锁情况下，但如果竞争激烈，因为线程要保持运行，需要CPU 的支持，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。
     *
     * @param amount
     */
    @Override
    public void reduce(Integer amount) {
        // 不断尝试直到成功为止
        while (true) {
            // 修改前的值
            int prev = balance.get();
            // 修改后的值
            int next = prev - amount;
            // 执行修改 compareAndSet  使用CAS乐观锁实现
            if (balance.compareAndSet(prev, next)) {
                break;
            }
        }
        // 简要写法
        // balance.addAndGet(-1 * amount);
    }
}

3.测试

package com.ldp.demo05;

import com.ldp.demo05.impl.CASSafeMoney;

/**
 * @author 姿势帝-博客园
 * @address https://www.cnblogs.com/newAndHui/
 * @WeChat 851298348
 * @create 02/16 8:20
 * @description
 */
public class Test01Money {
    public static void main(String[] args) {
        // 1.无锁不安全 当前余额:29530 ,耗时: 4847 ms
        // Money.handel(new UnSafeMoney(100000));

        // 2.synchronized加锁安全 当前余额:0 ,耗时: 7386 ms
        // Money.handel(new SyncSafeMoney(100000));

        // 3.使用乐观锁 CAS  当前余额:0 ,耗时: 3466 ms
        Money.handel(new CASSafeMoney(100000));
    }
}

4.CompareAndSet 方法分析

package com.ldp.demo05;

import com.common.MyThreadUtil;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

/**
 * @author 姿势帝-博客园
 * @address https://www.cnblogs.com/newAndHui/
 * @WeChat 851298348
 * @create 02/16 8:49
 * @description
 */
@Slf4j
public class Test02CompareAndSet {
    /**
     * 观察多线程修改值
     *
     * @param args
     */
    public static void main(String[] args) {
        AtomicInteger n = new AtomicInteger(100);
        int mainPrev = n.get();
        log.info("当前值:{}", n.get());
        // 线程 t1 将其修改为 90
        new Thread(() -> {
            // 模拟睡眠3秒
            MyThreadUtil.sleep(1);
            boolean b = n.compareAndSet(mainPrev, 90);
            log.info("修改结果:{}", b);
        }, "t1").start();

        // 模拟睡眠3秒
        MyThreadUtil.sleep(2);
        new Thread(() -> {
            boolean b = n.compareAndSet(mainPrev, 80);
            log.info("修改结果:{}", b);
        }, "t2").start();
        // 最后结果值
        MyThreadUtil.sleep(2);
        log.info("最后值为={}", n.get());
        // 21:04:15.369 [main] -> 当前值:100
        // 21:04:16.451 [t1] -> 修改结果:true
        // 21:04:17.457 [t2] -> 修改结果:false
        // 21:04:19.457 [main] -> 最后值为=90
    }
}

完美!