java并发－原子性

2023-07-30 18:25:58

原子性就是指该操作是不可再分的。
java.util.concurrent.atomic中有一组使用无锁算法实现的原子操作类。AtomicInteger、AtomicBoolean、AtomicLong 外还有
AtomicReference 。它们分别封装了对整数、整数数组、长整型、长整型数组和普通对象的多线程安全操作。
这些都是居于CAS算法实现的。CAS即：Compare and Swap,是比较并交换的意思。

CAS 简介

CAS有3个操作数，内存值V，旧的预期值A，要修改的新值B。当且仅当预期值A和内存值V相同时，将内存值V修改为B，否则什么都不做。

非阻塞算法（nonblocking algorithms）
一个线程的失败或者挂起不应该影响其他线程的失败或挂起的算法。
现代的CPU提供了特殊的指令，可以自动更新共享数据，而且能够检测到其他线程的干扰，而 compareAndSet() 就用这些代替了锁定。
拿出AtomicInteger来研究在没有锁的情况下是如何做到数据正确性的。

private volatile int value;

首先毫无以为，在没有锁的机制下可能需要借助volatile原语，保证线程间的数据是可见的（共享的）。

这样才获取变量的值的时候才能直接读取。

public final int get() {
        return value;
    }

然后来看看++i是怎么做到的。

public final int incrementAndGet() {
    for (;;) {
        int current = get();
        int next = current + 1;
        if (compareAndSet(current, next))
            return next;
    }
}

在这里采用了CAS操作，每次从内存中读取数据然后将此数据和+1后的结果进行CAS操作，如果成功就返回结果，否则重试直到成功为止。而compareAndSet利用JNI来完成CPU指令的操作。

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

整体的过程就是这样子的，利用CPU的CAS指令，同时借助JNI来完成Java的非阻塞算法。其它原子操作都是利用类似的特性完成的。

CAS缺点：

ABA问题。因为CAS需要在操作值的时候检查下值有没有发生变化，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。在变量前面追加上版本号，每次变量更新的时候把版本号加一，那么A－B－A 就会变成1A-2B－3A。

从Java1.5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方法作用是首先检查当前引用是否等于预期引用，并且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。

关于ABA问题参考文档: http://blog.hesey.net/2011/09/resolve-aba-by-atomicstampedreference.html

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。如果JVM能支持处理器提供的pause指令那么效率会有一定的提升，pause指令有两个作用，第一它可以延迟流水线执行指令（de-pipeline）,使CPU不会消耗过多的执行资源，延迟的时间取决于具体实现的版本，在一些处理器上延迟时间是零。第二它可以避免在退出循环的时候因内存顺序冲突（memory order violation）而引起CPU流水线被清空（CPU pipeline flush），从而提高CPU的执行效率。
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，或者有一个取巧的办法，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Java1.5开始JDK提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性，你可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作。

应用实例
1:AtomicInteger 使用

class Counter {
private volatile int count = 0;

public synchronized void increment() {
count++;  
}

public int getCount() {
return count;
}
}

class Counter {
private AtomicInteger count = new AtomicInteger(); 

public void increment() {
count.incrementAndGet();
}
public int getCount() {
return count.get();
}
}

2:实现AtomicFloat（原文地址）

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

/**
 * 因为Java没有提供AtomicFloat
 * 所以自己实现一个
 * @author 杨尚川
 */
public class AtomicFloat extends Number {

    private AtomicInteger bits;

    public AtomicFloat() {
        this(0f);
    }

    public AtomicFloat(float initialValue) {
        bits = new AtomicInteger(Float.floatToIntBits(initialValue));
    }

    public final float addAndGet(float delta){
        float expect;
        float update;
        do {
            expect = get();
            update = expect + delta;
        } while(!this.compareAndSet(expect, update));

        return update;
    }

    public final float getAndAdd(float delta){
        float expect;
        float update;
        do {
            expect = get();
            update = expect + delta;
        } while(!this.compareAndSet(expect, update));

        return expect;
    }

    public final float getAndDecrement(){
        return getAndAdd(-1);
    }

    public final float decrementAndGet(){
        return addAndGet(-1);
    }

    public final float getAndIncrement(){
        return getAndAdd(1);
    }

    public final float incrementAndGet(){
        return addAndGet(1);
    }

    public final float getAndSet(float newValue) {
        float expect;
        do {
            expect = get();
        } while(!this.compareAndSet(expect, newValue));

        return expect;
    }

    public final boolean compareAndSet(float expect, float update) {
        return bits.compareAndSet(Float.floatToIntBits(expect), Float.floatToIntBits(update));
    }

    public final void set(float newValue) {
        bits.set(Float.floatToIntBits(newValue));
    }

    public final float get() {
        return Float.intBitsToFloat(bits.get());
    }

    public float floatValue() {
        return get();
    }

    public double doubleValue() {
        return (double) floatValue();
    }

    public int intValue() {
        return (int) get();
    }

    public long longValue() {
        return (long) get();
    }

    public String toString() {
        return Float.toString(get());
    }
}

引用块内容
http://www.tuicool.com/articles/zuui6z
https://github.com/ysc/word
java程序性能优化

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CAS 简介

应用实例

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