Java 高并发四：无锁详细介绍
作者：Hosee
在[高并发Java 一] 前言中已经提到了无锁的概念，由于在jdk源码中有大量的无锁应用，所以在这里介绍下无锁。
1 无锁类的原理详解
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
操作即时没有锁，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。
我们会发现，CAS的步骤太多，有没有可能在判断V和E相同后，正要赋值时，切换了线程，更改了值。造成了数据不一致呢？
事实上，这个担心是多余的。CAS整一个操作过程是一个原子操作，它是由一条CPU指令完成的。
1.2 CPU指令
CAS的CPU指令是cmpxchg
指令代码如下：
/*
accumulator = AL, AX, or EAX, depending on whether
a byte, word, or doubleword comparison is being performed
*/
if(accumulator == Destination) {
ZF = 1;
Destination = Source;
}
else {
ZF = 0;
accumulator = Destination;
}
目标值和寄存器里的值相等的话，就设置一个跳转标志，并且把原始数据设到目标里面去。如果不等的话，就不设置跳转标志了。
Java当中提供了很多无锁类，下面来介绍下无锁类。
2 无所类的使用
我们已经知道，无锁比阻塞效率要高得多。我们来看看Java是如何实现这些无锁类的。
2.1. AtomicInteger
AtomicInteger和Integer一样，都继承与Number类
public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable
AtomicInteger里面有很多CAS操作，典型的有：
public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}
这里来解释一下unsafe.compareAndSwapInt方法，他的意思是，对于this这个类上的偏移量为valueOffset的变量值如果与期望值expect相同，那么把这个变量的值设为update。
其实偏移量为valueOffset的变量就是value
static {
try {
valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
(AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
} catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}
我们此前说过，CAS是有可能会失败的，但是失败的代价是很小的，所以一般的实现都是在一个无限循环体内，直到成功为止。
public final int getAndIncrement() {
for (;;) {
int current = get();
int next = current + 1;
if (compareAndSet(current, next))
return current;
}
}
2.2 Unsafe
从类名就可知，Unsafe操作是非安全的操作，比如：
根据偏移量设置值（在刚刚介绍的AtomicInteger中已经看到了这个功能）
park()（把这个线程停下来，在以后的Blog中会提到）
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
2.3. AtomicReference
前面已经提到了AtomicInteger，当然还有AtomicBoolean，AtomicLong等等，都大同小异。
这里要介绍的是AtomicReference。
AtomicReference是一种模板类
public class AtomicReference<V> implements java.io.Serializable
它可以用来封装任意类型的数据。
比如String
package test;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;
public class Test
{
public final static AtomicReference<String> atomicString = new AtomicReference<String>("hosee");
public static void main(String[] args)
{
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
final int num = i;
new Thread() {
public void run() {
try
{
Thread.sleep(Math.abs((int)Math.random()*100));
}
catch (Exception e)
{
e.printStackTrace();
}
if (atomicString.compareAndSet("hosee", "ztk"))
{
System.out.println(Thread.currentThread().getId() + "Change value");
}else {
System.out.println(Thread.currentThread().getId() + "Failed");
}
};
}.start();
}
}
}
结果：
10Failed
13Failed
9Change value
11Failed
12Failed
15Failed
17Failed
14Failed
16Failed
18Failed
可以看到只有一个线程能够修改值，并且后面的线程都不能再修改。
2.4.AtomicStampedReference
我们会发现CAS操作还是有一个问题的
比如之前的AtomicInteger的incrementAndGet方法
public final int incrementAndGet() {
for (;;) {
int current = get();
int next = current + 1;
if (compareAndSet(current, next))
return next;
}
}
假设当前value=1当某线程int current = get()执行后，切换到另一个线程，这个线程将1变成了2，然后又一个线程将2又变成了1。此时再切换到最开始的那个线程，由于value仍等于1，所以还是能执行CAS操作，当然加法是没有问题的，如果有些情况，对数据的状态敏感时，这样的过程就不被允许了。
此时就需要AtomicStampedReference类。
其内部实现一个Pair类来封装值和时间戳。
private static class Pair<T> {
final T reference;
final int stamp;
private Pair(T reference, int stamp) {
this.reference = reference;
this.stamp = stamp;
}
static <T> Pair<T> of(T reference, int stamp) {
return new Pair<T>(reference, stamp);
}
}
这个类的主要思想是加入时间戳来标识每一次改变。
//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) {
Pair<V> current = pair;
return
expectedReference == current.reference &&
expectedStamp == current.stamp &&
((newReference == current.reference &&
newStamp == current.stamp) ||
casPair(current, Pair.of(newReference, newStamp)));
}
当期望值等于当前值，并且期望时间戳等于现在的时间戳时，才写入新值，并且更新新的时间戳。
这里举个用AtomicStampedReference的场景，可能不太适合，但是想不到好的场景了。
场景背景是，某公司给余额少的用户免费充值，但是每个用户只能充值一次。
package test;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicStampedReference;
public class Test
{
static AtomicStampedReference<Integer> money = new AtomicStampedReference<Integer>(
19, 0);
public static void main(String[] args)
{
for (int i = 0; i < 3; i++)
{
final int timestamp = money.getStamp();
new Thread()
{
public void run()
{
while (true)
{
while (true)
{
Integer m = money.getReference();
if (m < 20)
{
if (money.compareAndSet(m, m + 20, timestamp,
timestamp + 1))
{
System.out.println("充值成功，余额:"
+ money.getReference());
break;
}
}
else
{
break;
}
}
}
};
}.start();
}
new Thread()
{
public void run()
{
for (int i = 0; i < 100; 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("消费10元，余额:"
+ money.getReference());
break;
}
}else {
break;
}
}
try
{
Thread.sleep(100);
}
catch (Exception e)
{
// TODO: handle exception
}
}
};
}.start();
}
}
解释下代码，有3个线程在给用户充值，当用户余额少于20时，就给用户充值20元。有100个线程在消费，每次消费10元。用户初始有9元，当使用AtomicStampedReference来实现时，只会给用户充值一次，因为每次操作使得时间戳+1。运行结果：
充值成功，余额:39
消费10元，余额:29
消费10元，余额:19
消费10元，余额:9
如果使用AtomicReference<Integer>或者 Atomic Integer来实现就会造成多次充值。
充值成功，余额:39
消费10元，余额:29
消费10元，余额:19
充值成功，余额:39
消费10元，余额:29
消费10元，余额:19
充值成功，余额:39
消费10元，余额:29
2.5. AtomicIntegerArray
与AtomicInteger相比，数组的实现不过是多了一个下标。
public final boolean compareAndSet(int i, int expect, int update) {
return compareAndSetRaw(checkedByteOffset(i), expect, update);
}
它的内部只是封装了一个普通的array
private final int[] array;
里面有意思的是运用了二进制数的前导零来算数组中的偏移量。
shift = 31 - Integer.numberOfLeadingZeros(scale);
前导零的意思就是比如8位表示12,00001100，那么前导零就是1前面的0的个数，就是4。
具体偏移量如何计算，这里就不再做介绍了。
2.6. AtomicIntegerFieldUpdater
AtomicIntegerFieldUpdater类的主要作用是让普通变量也享受原子操作。
就比如原本有一个变量是int型，并且很多地方都应用了这个变量，但是在某个场景下，想让int型变成AtomicInteger，但是如果直接改类型，就要改其他地方的应用。AtomicIntegerFieldUpdater就是为了解决这样的问题产生的。
package test;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerFieldUpdater;
public class Test
{
public static class V{
int id;
volatile int score;
public int getScore()
{
return score;
}
public void setScore(int score)
{
this.score = score;
}
}
public final static AtomicIntegerFieldUpdater<V> vv = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(V.class, "score");
public static AtomicInteger allscore = new AtomicInteger(0);
public static void main(String[] args) throws InterruptedException
{
final V stu = new V();
Thread[] t = new Thread[10000];
for (int i = 0; i < 10000; i++)
{
t[i] = new Thread() {
@Override
public void run()
{
if(Math.random()>0.4)
{
vv.incrementAndGet(stu);
allscore.incrementAndGet();
}
}
};
t[i].start();
}
for (int i = 0; i < 10000; i++)
{
t[i].join();
}
System.out.println("score="+stu.getScore());
System.out.println("allscore="+allscore);
}
}
上述代码将score使用 AtomicIntegerFieldUpdater变成 AtomicInteger。保证了线程安全。
这里使用allscore来验证，如果score和allscore数值相同，则说明是线程安全的。
小说明：
- 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。比如如果某变量申明为private，就是不可行的。
- 为了确保变量被正确的读取，它必须是volatile类型的。如果我们原有代码中未申明这个类型，那么简单得申明一下就行，这不会引起什么问题。
- 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）。