（十一） 共享模型之无锁【CAS 与 volatile】

一、问题引出（P158）

1. 取款案例

interface Account {
    // 获取余额
    Integer getBalance();
 
    // 取款
    void withdraw(Integer amount);
 
    /**
     * 方法内会启动 1000 个线程，每个线程做 -10 元 的操作
     * 如果初始余额为 10000 那么正确的结果应当是 0
     */
    static void demo(Account account) {
        List ts = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            ts.add(new Thread(() -> {
                account.withdraw(10);
            }));
        }
        long start = System.nanoTime();
        ts.forEach(Thread::start);
        ts.forEach(t -> {
            try {
                t.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
        long end = System.nanoTime();
        System.out.println(account.getBalance()
                + " cost: " + (end-start)/1000_000 + " ms");
    }
}

2. 线程不安全实现

class AccountUnsafe implements Account {
 
    private Integer balance;
 
    public AccountUnsafe(Integer balance) {
        this.balance = balance;
    }
 
    @Override
    public Integer getBalance() {
            return this.balance;        
    }
 
    @Override
    public void withdraw(Integer amount) {
            this.balance -= amount;        
    }
}

测试：

public class TestAccount {
 
    public static void main(String[] args) {
        Account account = new AccountUnsafe(10000);
        Account.demo(account);
    }
}

3. 解决思路-锁

class AccountUnsafe implements Account {
 
    private Integer balance;
 
    public AccountUnsafe(Integer balance) {
        this.balance = balance;
    }
 
    @Override
    public Integer getBalance() {
        synchronized (this) {
            return this.balance;
        }
    }
 
    @Override
    public void withdraw(Integer amount) {
        synchronized (this) {
            this.balance -= amount;
        }
    }
}

4. 解决思路-无锁

class AccountCas implements Account {
    private AtomicInteger balance;
 
    public AccountCas(int balance) {
        this.balance = new AtomicInteger(balance);
    }
 
    @Override
    public Integer getBalance() {
        return balance.get();
    }
 
    @Override
    public void withdraw(Integer amount) {
        while(true) {
            // 获取余额的最新值
            int prev = balance.get();
            // 要修改的余额
            int next = prev - amount;
            // 真正修改
            if(balance.compareAndSet(prev, next)) {
                break;
            }
        }
    }
}

二、CAS 与 volatile

AtomicInteger 的解决方法，内部并没有用锁来保护共享变量的线程安全。

其中的关键是 compareAndSet ，它的简称就是 CAS （也有 Compare And Swap 的说法），它必须是原子操作。

注意

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。  

1. volatile 

（1）获取共享变量时，为了保证该变量的可见性，需要使用 volatile 修饰。

（2）它可以用来修饰成员变量和静态成员变量，他可以避免线程从自己的工作缓存中查找变量的值，必须到主存中获取它的值，线程操作 volatile 变量都是直接操作主存。即一个线程对 volatile 变量的修改，对另一个线程可见。

注意：

volatile 仅仅保证了共享变量的可见性，让其他线程能够看到最新值，但不能解决指令交错问题（不能保证原子性）。

CAS 必须借助 volatile 才能读取到共享变量的最新值来实现【比较并交换】的效果。

2. 为什么无锁效率高

无锁情况下，即使重试失败，线程始终在高速运行，没有停歇，而 synchronized 会让线程在没有获得锁的时候，发生上下文切换，进入阻塞。打个比喻：

（1）线程就好像高速跑道上的赛车，高速运行时，速度超快，一旦发生上下文切换，就好比赛车要减速、熄火，等被唤醒又得重新打火、启动、加速... 恢复到高速运行，代价比较大。

（2）但无锁情况下，因为线程要保持运行，需要额外 CPU 的支持，CPU 在这里就好比高速跑道，没有额外的跑道，线程想高速运行也无从谈起，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。

3.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，我吃亏点再重试呗。

（2）synchronized 是基于悲观锁的思想：最悲观的估计，得防着其它线程来修改共享变量，我上了锁你们都别想改，我改完了解开锁，你们才有机会。

（3）CAS 体现的是无锁并发、无阻塞并发：

1️⃣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。

2️⃣但如果竞争激烈，可以想到重试必然频繁发生，反而效率会受影响。