• 共享模型之无锁 - 08

    共享模型之无锁

    CAS (compareAndSet 或者 compareAndSwap) 比较并且设置

    private AtomicInteger account = new AtomicInteger(30);
    private void cas (int amount){
        while (true)
        {
            int prev = account.get();
            int next = prev - amount;
            if(account.compareAndSet(prev,next)){
                break;
            }
        }
    }

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    CAS原理图

    在这里插入图片描述
    其实CAS底层是 lock cmpxchg 指令 （X86架构），在单核CPU和多核CPU下都能保证【比较-交换】的原子性。

     public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
    }

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        public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset,
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    CAS 与 volatile

    获取共享变量时，为了保证该变量的可见性，需要是要 volatile 修饰。

    volatile 可以用来修饰成员变量，静态变量，它可以避免线程从自己的工作缓存中查找变量的值，必须要到主存中获取他的值，线程操作volatile 变量都是直接操作主存，即一个线程对vlolatile变量的修改，对两一个线程可见。

    • vlolatle 仅仅保证了共享变量的可见性，让其他线程能够看到子u心智，但不能解决原型性问题
      CAS必须接注 volatile 才能读取到共享内存的最新值来实现【比较并交换】的效果。

    为什么无锁的效果高

    • 无锁的情况下，及时重试失败，线程始终在运行，没有停下，而 sychronized 会让线程在没有获取锁的时候，发生上下文切换，净土阻塞发生上下文切换，需要重新唤醒，代价比较大
    • 无锁情况下，线程保存运行，需要额外CPU的支持 ，虽然不会进入阻塞，但是由于没有分到时间片，仍然会进图可运行状态，还是会导致上下文切换。线程数少于 CPU 核心数建议使用 CAS

    CAS 特点

    适合线程数较少，多核CPU的场景下

    • CAS时基于乐观锁的思想： 乐观的估计不怕线程修改共享变量
    • sychronized 时基于悲观锁的思想 ： 最悲观的估计，时刻都认为会修改共享变量
    • CAS体现的时无锁并发，无阻塞并发
      • 因为没有使用synchronized ，所以线程不会会陷入阻塞
      • 如果竞争激烈，重试可能频繁发生，反而效率会受影响

    CAS 原理实现的工具类

    J.U.C - java.util.concurrent

    原子整数

    • AtomicBoolean
    • AtomicInteger
    • AtomicLong
     AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
        // 获取并自增      count = 0  返回 0  结果 1  类似与 i++
        System.out.println(count.getAndIncrement());
        // 自增并获取      count = 1  返回 2  结果 2  类似与 ++i
        System.out.println(count.incrementAndGet());
        //获取并自减       count = 2  返回 2  结果 1  类似于 i--
        System.out.println(count.getAndDecrement());
        //自减并获取       count = 1  返回 0  结果 0  类似于 i--
        System.out.println(count.decrementAndGet());
        //获取并加值       count = 0  返回 0  结果 5
        System.out.println(count.getAndAdd(5));
        //加值并获取       count = 5  返回 10  结果 10
        System.out.println(count.addAndGet(5));
        // 更新并获取      count = 10 返回50  结果 50
        System.out.println(count.updateAndGet(value -> {return value * 5;}));
        // 获取并更新      count = 50 返回50  结果 10
        System.out.println(count.getAndUpdate(value -> {return value / 5;}));

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    原子引用

    • AtomicReference 不关心是否修改引用的对象
    • AtomicMarkableReference 关心是否修改过引用的对象
    • AtomicStampedReference 关心修改过几次引用的对象
    class DecimalAccountSafeCas implements DecimalAccount {
    AtomicReference<BigDecimal> ref;
    public DecimalAccountSafeCas(BigDecimal balance) {
        ref = new AtomicReference<>(balance);
    }
    public BigDecimal getBalance() {
        return ref.get();
    }
    @Override
    public void withdraw(BigDecimal amount) {
        while (true) {            //自旋
            BigDecimal prev = ref.get();    
            BigDecimal next = prev.subtract(amount);
            if (ref.compareAndSet(prev, next)) {   // 使用 CAS 比较并替换
                break;
            }
        }
    }
}

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    ABA问题

    ABA 也就是说 线程感知不到其他线程对变量的修改。

     // 主线程仅能判断出共享变量的值与最初值 A 是否相同，不能感知到这种从 A 改为 B 又 改回 A 的情况
 static AtomicReference<String> ref = new AtomicReference<>("A");

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        log.debug("main start...");
        // 获取值 A
        // 这个共享变量被它线程修改过？
        String prev = ref.get();
        other();
        Thread.sleep(2);
        // 尝试改为 C
        log.debug("change A->C {}", ref.compareAndSet(prev, "C"));
    }

    private static void other() throws InterruptedException {
        new Thread(() -> {
            log.debug("change A->B {}", ref.compareAndSet(ref.get(), "B"));
        }, "t1").start();
        Thread.sleep(1);

        new Thread(() -> {
            log.debug("change B->A {}", ref.compareAndSet(ref.get(), "A"));
        }, "t2").start();
    }

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    20:08:13 [main] c.test - main start...
20:08:13 [t1] c.test - change A->B true
20:08:13 [t2] c.test - change B->A true
20:08:13 [main] c.test - change A->C true

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    解决方案
    CAS 不仅比较值，而且还比较版本号 AtomicStampedReference 增加了版本号的属性来记录引用被更改的版本，以至于知道引用是否被更改过，解决aba的问题

    static AtomicStampedReference<String> ref = new AtomicStampedReference<>("A", 0);
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        log.debug("main start...");
        String prev = ref.getReference(); //获取值
        int stamp = ref.getStamp();  // 获取版本号
        log.debug("版本 {}", stamp);
        // 如果中间有其它线程干扰，发生了 ABA 现象
        other();
        Thread.sleep(2);
        // 尝试改为 C
        log.debug("change A->C {}", ref.compareAndSet(prev, "C", stamp, stamp + 1));
    }
    private static void other() throws InterruptedException {
        new Thread(() -> {
            log.debug("change A->B {}", ref.compareAndSet(ref.getReference(), "B",
                    ref.getStamp(), ref.getStamp() + 1));
            log.debug("更新版本为 {}", ref.getStamp());
        }, "t1").start();
        Thread.sleep(1);
        new Thread(() -> {
            log.debug("change B->A {}", ref.compareAndSet(ref.getReference(), "A",
                    ref.getStamp(), ref.getStamp() + 1));
            log.debug("更新版本为 {}", ref.getStamp());
        }, "t2").start();
    }

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    AtomicMarkableReference 维护了一个 mark 标记 用于判断引用的状态

    public class TestABAAtomicMarkableReference {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        GarbageBag bag = new GarbageBag("装满了垃圾");
        // 参数2 mark 可以看作一个标记，表示垃圾袋满了
        AtomicMarkableReference<GarbageBag> ref = new AtomicMarkableReference<>(bag, true);
        log.debug("主线程 start...");
        GarbageBag prev = ref.getReference();
        log.debug(prev.toString());
        new Thread(() -> {
            log.debug("打扫卫生的线程 start...");
            bag.setDesc("空垃圾袋");
            while (!ref.compareAndSet(bag, bag, true, false)) {}
            log.debug(bag.toString());
        }).start();
        Thread.sleep(1000);
        log.debug("主线程想换一只新垃圾袋？");
        boolean success = ref.compareAndSet(prev, new GarbageBag("空垃圾袋"), true, false);
        log.debug("换了么？" + success);
        log.debug(ref.getReference().toString());
    }
}
class GarbageBag {
    String desc;
    public GarbageBag(String desc) {
        this.desc = desc;
    }
    public void setDesc(String desc) {
        this.desc = desc;
    }
    @Override
    public String toString() {
        return super.toString() + " " + desc;
    }
}

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    原子数组

    • AtomicIntegerArray
    • AtomicLongArray
    • AtomicReferenceArray
     /**
     参数1，提供数组、可以是线程不安全数组或线程安全数组
     参数2，获取数组长度的方法
     参数3，自增方法，回传 array, index
     参数4，打印数组的方法
     */
    // supplier 提供者 无中生有 ()->结果
    // function 函数 一个参数一个结果 (参数)->结果 , BiFunction (参数1,参数2)->结果
    // consumer 消费者 一个参数没结果 (参数)->void, BiConsumer (参数1,参数2)->

    private static <T> void demo(
            Supplier<T> arraySupplier,
            Function<T, Integer> lengthFun,
            BiConsumer<T, Integer> putConsumer,
            Consumer<T> printConsumer ) {
        List<Thread> ts = new ArrayList<>();
        T array = arraySupplier.get();
        int length = lengthFun.apply(array);
        for (int i = 0; i < length; i++) {
            // 每个线程对数组作 10000 次操作
            ts.add(new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < 10000; j++) {
                    putConsumer.accept(array, j%length);
                }
            }));
        }
        ts.forEach(t -> t.start()); // 启动所有线程
        ts.forEach(t -> {
            try {
                t.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }); // 等所有线程结束
        printConsumer.accept(array);
    }

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    • 线程不安全数组
    demo(
	 ()->new int[10],
	 (array)->array.length,
	 (array, index) -> array[index]++,
	 array-> System.out.println(Arrays.toString(array))
);

[9870, 9862, 9774, 9697, 9683, 9678, 9679, 9668, 9680, 9698] 

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    • 安全的数组
    demo(
	 ()-> new AtomicIntegerArray(10),
	 (array) -> array.length(),
	 (array, index) -> array.getAndIncrement(index),
	 array -> System.out.println(array)
);
[10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000]

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    字段更新器

    • AtomicReferenceFieldUpdater // 域 字段
    • AtomicIntegerFieldUpdater
    • AtomicLongFieldUpdater

    利用字段更新器，可以针对对象的某个域（Field）进行原子操作，只能配合 volatile 修饰的字段使用，否则会出现异常

    private volatile int field;
    public static void main(String[] args) {
        AtomicIntegerFieldUpdater fieldUpdater =
                AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(Test5.class, "field");  // 初始化字段更新器 
        Test5 test5 = new Test5();
        fieldUpdater.compareAndSet(test5, 0, 10);     // 比较并替换  field 的值
        // 修改成功 field = 10
        System.out.println(test5.field);
        // 修改成功 field = 20
        fieldUpdater.compareAndSet(test5, 10, 20);
        System.out.println(test5.field);
        // 修改失败 field = 20
        fieldUpdater.compareAndSet(test5, 10, 30);
        System.out.println(test5.field);
    }

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    字段累加器

    字段累加器比其他原子类操作性能要高

    • LongAdder()
    • DoubleAdder
      性能提升的原因很简单，就是在有竞争时，设置多个累加单元，Therad-0 累加 Cell[0]，而 Thread-1 累加Cell[1]… 最后将结果汇总。这样它们在累加时操作的不同的 Cell 变量，因此减少了 CAS 重试失败，从而提高性能。

    LongAdder 类有几个关键域

    	// 累加单元数组, 懒惰初始化
	transient volatile Cell[] cells;
	// 基础值, 如果没有竞争, 则用 cas 累加这个域
	transient volatile long base;
	// 在 cells 创建或扩容时, 置为 1, 表示加锁
	transient volatile int cellsBusy;

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    伪共享

    @sun.misc.Contended   // 竞争注解   防止缓存行伪共享
static final class Cell {
        volatile long value;
        Cell(long x) { value = x; }
        final boolean cas(long cmp, long val) {
        											// cmp 旧值   val 新值
            return UNSAFE.compareAndSwapLong(this, valueOffset, cmp, val);   // 用cas的方式进行累加
        }

        // Unsafe mechanics
        private static final sun.misc.Unsafe UNSAFE;
        private static final long valueOffset;
        static {
            try {
                UNSAFE = sun.misc.Unsafe.getUnsafe();
                Class<?> ak = Cell.class;
                valueOffset = UNSAFE.objectFieldOffset
                    (ak.getDeclaredField("value"));
            } catch (Exception e) {
                throw new Error(e);
            }
        }
    }

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    cpu内存结构
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    在这里插入图片描述
    因为 Cell 是数组形式，在内存中是连续存储的，一个 Cell 为 24 字节（16 字节的对象头和 8 字节的 value），因此缓存行可以存下 2 个的 Cell 对象。这样问题来了：
    Core-0 要修改 Cell[0]
    Core-1 要修改 Cell[1]
    无论谁修改成功，都会导致对方 Core 的缓存行失效，比如 Core-0 中 Cell[0]=6000, Cell[1]=8000 要累加Cell[0]=6001, Cell[1]=8000 ，这时会让 Core-1 的缓存行失效@sun.misc.Contended 用来解决这个问题，它的原理是在使用此注解的对象或字段的前后各增加 128 字节大小的
    padding，从而让 CPU 将对象预读至缓存时占用不同的缓存行，这样，不会造成对方缓存行的失效
    在这里插入图片描述

    这里做个标记以后再深入

    Unsafe

    Unsafe 对象提供了非常底层的，操作内存、线程的方法，Unsafe 是单例 对象不能直接调用，只能通过反射获得

     		Field theUnsafe = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
        theUnsafe.setAccessible(true);
        Unsafe unsafe = (Unsafe)theUnsafe.get(null);

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    这里做个标记以后再深入

    不可变类

    日期转换问题

    //  SimpleDateFormat 是可变类  有线程安全问题
 SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd");
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(() -> {
                try {
                    log.debug("{}", sdf.parse("1951-04-21"));
                } catch (Exception e) {
                    log.error("{}", e);
                }
            }).start();
        }

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    解决方案 - 同步锁

    // 具有性能问题
        SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd");
        for (int i = 0; i < 50; i++) {
            new Thread(() -> {
                synchronized (sdf) {
                    try {
                        log.debug("{}", sdf.parse("1951-04-21"));
                    } catch (Exception e) {
                        log.error("{}", e);
                    }
                }
            }).start();
        }

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    解决方案 - 不可变类

    DateTimeFormatter 是不可变类

     DateTimeFormatter dtf = DateTimeFormatter.ofPattern("yyyy-MM-dd");
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(() -> {
                LocalDate date = dtf.parse("2018-10-01", LocalDate::from);
                log.debug("{}", date);
            }).start();
        }

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    不可变设计

    final 的使用

    • 属性用 final 修饰保证了该属性是只读的， 不能修改
    • 类用 final 修饰保证了该类中的方法不能被覆盖，防止子类无意间破坏不可变性

    保护性拷贝

    不在原有对象上操作永远返回新对象且对象不可见

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  • 原文地址：https://blog.csdn.net/qq_44808472/article/details/119057496