JUC原子操作类与乐观锁CAS

JUC原子操作类与乐观锁CAS

​ 硬件中存在并发操作的原语,从而在硬件层面提升效率。在intel的CPU中,使用cmpxchg指令。在Java发展初期,java语言是不能够利用硬件提供的这些便利来提升系统的性能的。而随着java不断的发展,Java本地方法(JNI)的出现,使得java程序越过JVM直接调用本地方法提供了一种便捷的方式。

乐观锁悲观锁

悲观锁

​ 总是假设最坏的情况,每次去拿数据的时候都认为别人会修改,所以每次在拿数据的时候都会上锁,这样别人想拿这个数据就会阻塞直到它拿到锁(共享资源每次只给一个线程使用,其它线程阻塞,用完后再把资源转让给其它线程)。传统的关系型数据库里边就用到了很多这种锁机制,比如行锁,表锁等,读锁,写锁等,都是在做操作之前先上锁。Java中synchronized和ReentrantLock等独占锁就是悲观锁思想的实现。

乐观锁

​ 总是假设最好的情况,每次去拿数据的时候都认为别人不会修改,所以不会上锁,但是在更新的时候会判断一下在此期间别人有没有去更新这个数据,可以使用版本号机制和CAS算法实现。乐观锁适用于多读的应用类型,这样可以提高吞吐量,像数据库提供的类似于write_condition机制,其实都是提供的乐观锁。在Java中java.util.concurrent.atomic包下面的原子变量类就是使用了乐观锁CAS实现的。

两种锁的使用场景

​ 像乐观锁适用于写比较少的情况下(多读场景)。但如果是多写的情况,一般会经常产生冲突,这就会导致上层应用会不断的进行retry,这样反倒是降低了性能,所以一般多写的场景下用悲观锁就比较合适。

乐观锁CAS

​ CAS 操作包含三个操作数 —— 内存位置(V)、预期原值(A)和新值(B)。 如果内存位置的值与预期原值相匹配,那么处理器会自动将该位置值更新为新值 。否则,处理器不做任何操作。无论哪种情况,它都会在 CAS 指令之前返回该 位置的值。(在 CAS 的一些特殊情况下将仅返回 CAS 是否成功,而不提取当前值。)

CAS虽然很高效地解决了原子操作,但是CAS仍然存在三个问题
1)ABA问题。因为CAS需要在操作值的时候,检查值有没有发生变化,如果没有发生变化则更新,但是如果一个值原来是A,变成了B,又变成了A,那么使用CAS进行检查时会发现它的值没有发生变化,但是实际上却变化了。ABA问题的解决思路就是使用版本号。在变前面追加上版本号,每次变量更新的时候把版本号加1,那么A→B→A就会变成1A→2B→3A。从Java 1.5开始,JDK的Atomic包里提供了一个类AtomicStampedReference来解决ABA问题。这个类的compareAndSet方法的作用是首先检查当前引用是否等于预期引用,并且检查当前标志是否等于预期标志,如果全部相等,则以原子方式将该引用和该标志的值设置为给定的更新值。

2)循环时间长开销大。自旋CAS如果长时间不成功,会给CPU带来非常大的执行开销。

3)只能保证一个共享变量的原子操作。当对一个共享变量执行操作时,我们可以使用循环CAS的方式来保证原子操作,但是对多个共享变量操作时,循环CAS就无法保证操作的原子性。

这个时候就可以用锁。还有一个取巧的办法,就是把多个共享变量合并成一个共享变量来操作。比如,有两个共享变量i=2,j=a,合并一下ij=2a,然后用CAS来操作ij。从Java 1.5开始,JDK提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性,就可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作。

JUC原子操作类

而Java从JDK 1.5开始提供了java.util.concurrent.atomic包(以下简称Atomic包),这个包中的原子操作类提供了一种用法简单、性能高效、线程安全地更新一个变量的方式。大致可以属于4种类型的原子更新方式,分别是原子更新基本类型、原子更新数组、原子更新引用和原子更新属性(字段)。Atomic包里的类基本都是使用Unsafe实现的包装类。

更新基本类型

使用原子的方式更新基本类型,Atomic包提供了以下3个类。

AtomicBoolean:原子更新布尔类型。
AtomicInteger:原子更新整型。
AtomicLong:原子更新Long类型。

原子更新数组类型

AtomicIntegerArray:原子更新整型数组中的元素;
AtomicLongArray:原子更新长整型数组中的元素;
AtomicReferenceArray:原子更新引用类型数组中的元素

原子更新引用类型

原子更新基本类型的AtomicInterger,只能更新一个变量,如果要原子更新多个变量,就需要使用这个原子更新引用类型提供的类。

AtomicReference:原子更新引用类型
AtomicStampReference:原子更新引用类型,这种更新方式会带有版本号。而为什么在更新的时候会带有版本号,是为了解决CAS的ABA问题。
AtomicMarkableReference:原子更新带有标记位的引用类型。可以原子更新一个布尔类型的标记位和引用类型。构造方法是

原子更新字段类型

如果需要更新对象的某个字段,并在多线程的情况下,能够保证线程安全,atomic提供了相应的原子操作类:

AtomicIntegeFieldUpdater:原子更新整型字段类;
AtomicLongFieldUpdater:原子更新长整型字段类;

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