Java高并发-无锁

一、无锁类的原理

1.1 CAS

CAS算法的过程是这样：它包含3个参数CAS(V,E,N)。V表示要更新的变量，E表示预期值，N表示新值。仅当V值等于E值时，才会将V的值设为N，如果V值和E值不同，则说明已经有其他线程做了更新，则当前线程什么都不做。最后，CAS返回当前V的真实值 。CAS操作是抱着乐观的态度进行的，它总是认为自己可以成功完成操作。当多个线程同时使用CAS操作一个变量时，只有一个会胜出，并成功更新，其余均会失败。失败的线程不会被挂起，仅是被告知失败，并且允许再次尝试，当然也允许失败的线程放弃操作。基于这样的原理，CAS操作即使没有锁，也可以发现其他线程对当前线程的干扰，并进行恰当的处理。

1.2 CPU指令

二、无锁类的使用

2.1 AtomicInteger

概述

java.util.concurrent.atomic
public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable

主要接口

public final int get() // 获取当前值
public final void set(int newValue) // 设置当前值
public final int getAndSet(int newValue) // 设置新值，并返回旧值
public final boolean compareAndSet(int expect, int u) // 如果当前值为expect，则设置为u
public final int getAndIncrement() // 当前值加1，返回旧值，类似于i++
public final int getAndDecrement() // 当前值减1，返回旧值，类似于i--
public final int getAndAdd(int delta) // 当前值增加delta，返回旧值
public final int incrementAndGet() // 当前值加1，返回新值，类似于++i
public final int decrementAndGet() // 当前值减1，返回新值，类似于--i
public final int addAndGet(int delta) // 当前值增加delta，返回新值

主要接口的实现

// 内部定义了一个value，AtomicInteger只是对它的封装
private volatile int value;

compareAndSet

valueOffset是偏移量

举例

2.2 Unsafe

概述

非安全的操作，比如：根据偏移量设置值
park()  把线程停下来
底层的CAS操作
非公开API，在不同版本的JDK中，可能有较大差异

主要接口

// 获得给定对象偏移量上的int值
public native int getInt(java.lang.Object arg0, long arg1);
// 设置给定对象像偏移量上的int值
public native void putInt(java.lang.Object arg0, long arg1, int arg2);
// 获得字段在对象中的偏移量
public native long objectFieldOffset(Field f);
// 设置给定对象的int值，使用volatile语义
public native void putIntVolatile(Object o, long offset, int x);
// 获得给定对象的int值，使用volatile语义
public native void getIntVolatile(Object o, long offset);
// 和putIntVolatile()一样，但是它要求被操作字段就是volatile类型的
public native void putOrderedInt(Object o, long offset, int x);

2.3 AtomicReference

概述

对引用进行修改
是一个模板类，抽象化了数据类型

主要接口

get()
set(V)
compareAndSet()
getAndSet(V)

举例

2.4 AtomicStampedReference

概述

解决ABA问题
一个变量初始值为A
线程1读取变量            00:00
线程2读取变量            00:03
线程2将变量修改为B       00:05
线程3读取变量            00:06
线程3将变量修改为A       00:08
线程1根据变量做计算       00:10
线程1将变量修改为C       00:12  定稿前变量值是A，其实该变量已经经历了ABA的变化 

主要接口

// 比较设置 参数依次为：期望值 写入新值 期望时间戳 新时间戳
public boolean compareAndSet(V   expectedReference,
                             V   newReference,
                             int expectedStamp,
                             int newStamp)
// 获得当前对象引用
public V getReference()
// 获得当前时间戳
public int getStamp()
// 设置当前对象引用和时间戳
public void set(V newReference, int newStamp)

举例

public class AtomicStampedReferenceDemo {
	static AtomicStampedReference<Integer> money = new AtomicStampedReference<Integer>(19, 0);

	public static void main(String[] args) {
		// 模拟3个充钱线程，余额小余20时充钱且只充一次
		for (int i = 0; i < 3; i++) {
			final int timestamp = money.getStamp();
			new Thread() {
				public void run() {
					while (true) {
						Integer m = money.getReference();
						if (m < 20) {
							if (money.compareAndSet(m, m + 20, timestamp, timestamp + 1)) {
								System.out.println("余额小于20元，充值成功，余额：" + money.getReference());
							}
						} else {
							// 余额大于20，无需充值
							break;
						}
					}
				}
			}.start();
		}
		// 模拟一个消费线程
		new Thread() {
			public void run() {
				// 消费10次，余额大于10元时才能消费
				for (int i = 0; i < 10; i++) {
					while (true) {
						int timestamp = money.getStamp();
						Integer m = money.getReference();
						if (m > 10) {
							if (money.compareAndSet(m, m - 10, timestamp, timestamp + 1)) {
								System.out.println("成功消费10元，余额：" + money.getReference());
								break;
							}
						} else {
							System.out.println("没有足够的余额");
							break;
						}
					}
					try {
						Thread.sleep(100);
					} catch (InterruptedException e) {
					}
				}
			}
		}.start();
	}
}

2.5 AtomicIntegerArray

概述

支持无锁的数组

主要接口

// 获得数组第i个下标的元素
public final int get(int i)
// 获得数组的长度
public final int length()
// 将数组第i个下标设置为newValue，并返回旧的值
public final int getAndSet(int i, int newValue)
// 进行CAS操作，如果第i个下标的元素等于expect，则设置为update，设置成功返回true
public final boolean compareAndSet(int i, int expect, int update)
// 将第i个下标的元素加1
public final int getAndIncrement(int i)
// 将第i个下标的元素减1
public final int getAndDecrement(int i)
// 将第i个下标的元素增加delta(delta可以是负数)
public final int getAndAdd(int i, int delta)

举例

2.6 AtomicIntegerFieldUpdater

概述

让普通变量也享受原子操作

主要接口

// 工厂方法
AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater()
incrementAndGet()

说明

1. Updater只能修改它可见范围内的变量。因为Updater使用反射得到这个变量。如果变量不可见，就会出错。比如如果score声明为private，就是不可行的。
2. 为了确保变量被正确读取，它必须是volatile类型的。如果我们原有代码中未声明这个类型，那么简单声明一个就行，这不会引起什么问题。
3. 由于CAS操作会通过对象实例中的偏移量直接进行赋值，因此它不支持static字段(Unsafe.objectFieldOffset()不支持静态变量)

举例

三、无锁算法

3.1 Vector实现

add方法

说明

数组实现
modCount++ 记录被修改的次数
ensureCapacityHelper(elementCount+1) 做容量检查

扩容

3.2 无锁的Vector实现