并发-AtomicInteger源码分析—基于CAS的乐观锁实现

AtomicInteger源码分析—基于CAS的乐观锁实现

参考:

http://www.importnew.com/22078.html

https://www.cnblogs.com/mantu/p/5796450.html

http://hustpawpaw.blog.163.com/blog/static/184228324201210811243127/

1. 悲观锁与乐观锁

我们都知道,cpu是时分复用的,也就是把cpu的时间片,分配给不同的thread/process轮流执行,时间片与时间片之间,需要进行cpu切换,也就是会发生进程的切换。切换涉及到清空寄存器,缓存数据。然后重新加载新的thread所需数据。当一个线程被挂起时,加入到阻塞队列,在一定的时间或条件下,在通过notify(),notifyAll()唤醒回来。在某个资源不可用的时候,就将cpu让出,把当前等待线程切换为阻塞状态。等到资源(比如一个共享数据)可用了,那么就将线程唤醒,让他进入runnable状态等待cpu调度。这就是典型的悲观锁的实现。独占锁是一种悲观锁,synchronized就是一种独占锁,它假设最坏的情况,并且只有在确保其它线程不会造成干扰的情况下执行,会导致其它所有需要锁的线程挂起,等待持有锁的线程释放锁。

但是,由于在进程挂起和恢复执行过程中存在着很大的开销。当一个线程正在等待锁时,它不能做任何事,所以悲观锁有很大的缺点。举个例子,如果一个线程需要某个资源,但是这个资源的占用时间很短,当线程第一次抢占这个资源时,可能这个资源被占用,如果此时挂起这个线程,可能立刻就发现资源可用,然后又需要花费很长的时间重新抢占锁,时间代价就会非常的高。

所以就有了乐观锁的概念,他的核心思路就是,每次不加锁而是假设没有冲突而去完成某项操作,如果因为冲突失败就重试,直到成功为止。在上面的例子中,某个线程可以不让出cpu,而是一直while循环,如果失败就重试,直到成功为止。所以,当数据争用不严重时,乐观锁效果更好。比如CAS就是一种乐观锁思想的应用。

2.   java中CAS的实现

CAS就是Compare and Swap的意思,比较并操作。很多的cpu直接支持CAS指令。CAS是项乐观锁技术,当多个线程尝试使用CAS同时更新同一个变量时,只有其中一个线程能更新变量的值,而其它线程都失败,失败的线程并不会被挂起,而是被告知这次竞争中失败,并可以再次尝试。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。

JDK1.5中引入了底层的支持,在int、long和对象的引用等类型上都公开了CAS的操作,并且JVM把它们编译为底层硬件提供的最有效的方法,在运行CAS的平台上,运行时把它们编译为相应的机器指令。在Java.util.concurrent.atomic包下面的所有的原子变量类型中,比如AtomicInteger,都使用了这些底层的JVM支持为数字类型的引用类型提供一种高效的CAS操作。

在CAS操作中,会出现ABA问题。就是如果V的值先由A变成B,再由B变成A,那么仍然认为是发生了变化,并需要重新执行算法中的步骤。有简单的解决方案:不是更新某个引用的值,而是更新两个值,包括一个引用和一个版本号,即使这个值由A变为B,然后为变为A,版本号也是不同的。AtomicStampedReference和AtomicMarkableReference支持在两个变量上执行原子的条件更新。AtomicStampedReference更新一个“对象-引用”二元组,通过在引用上加上“版本号”,从而避免ABA问题,AtomicMarkableReference将更新一个“对象引用-布尔值”的二元组。

3.  AtomicInteger的实现。

AtomicInteger 是一个支持原子操作的 Integer 类,就是保证对AtomicInteger类型变量的增加和减少操作是原子性的,不会出现多个线程下的数据不一致问题。如果不使用 AtomicInteger,要实现一个按顺序获取的 ID,就必须在每次获取时进行加锁操作,以避免出现并发时获取到同样的 ID 的现象。

接下来通过源代码来看AtomicInteger具体是如何实现的原子操作。

首先看incrementAndGet() 方法,下面是具体的代码。

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

通过源码,可以知道,这个方法的做法为先获取到当前的 value 属性值,然后将 value 加 1,赋值给一个局部的 next 变量,然而,这两步都是非线程安全的,但是内部有一个死循环,不断去做compareAndSet操作,直到成功为止,也就是修改的根本在compareAndSet方法里面,compareAndSet()方法的代码如下:

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

compareAndSet()方法调用的compareAndSwapInt()方法的声明如下,是一个native方法。

publicfinal native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, intvar5);

compareAndSet 传入的为执行方法时获取到的 value 属性值,next 为加 1 后的值, compareAndSet所做的为调用 Sun 的 UnSafe 的 compareAndSwapInt 方法来完成,此方法为 native 方法,compareAndSwapInt 基于的是CPU 的 CAS指令来实现的。所以基于 CAS 的操作可认为是无阻塞的,一个线程的失败或挂起不会引起其它线程也失败或挂起。并且由于 CAS 操作是 CPU 原语,所以性能比较好。

类似的,还有decrementAndGet()方法。它和incrementAndGet()的区别是将 value 减 1,赋值给next 变量。

AtomicInteger中还有getAndIncrement() 和getAndDecrement() 方法,他们的实现原理和上面的两个方法完全相同,区别是返回值不同,前两个方法返回的是改变之后的值,即next。而这两个方法返回的是改变之前的值,即current。还有很多的其他方法,就不列举了。

下面以具体的例子分析下AtomicInteger的实现:

  计数器(Counter),采用Java里比较方便的锁机制synchronized关键字,初步的代码如下:

并发-AtomicInteger源码分析—基于CAS的乐观锁实现
 1 public class Counter {
2 private int value;
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4 public synchronized int getValue() {
5 return value;
6 }
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8 public synchronized int increment() {
9 return ++value;
10 }
11
12 public synchronized int decrement() {
13 return --value;
14 }
15 }
并发-AtomicInteger源码分析—基于CAS的乐观锁实现

  synchronized关键字是基于阻塞的锁机制,也就是说当一个线程拥有锁的时候,访问同一资源的其它线程需要等待,直到该线程释放锁,这也就我们前面所说的悲观锁。这里会有些问题:首先,如果被阻塞的线程优先级很高很重要怎么办?其次,如果获得锁的线程一直不释放锁怎么办?(这种情况是非常糟糕的)。还有一种情况,如果有大量的线程来竞争资源,那CPU将会花费大量的时间和资源来处理这些竞争(事实上CPU的主要工作并非这些),同时,还有可能出现一些例如死锁之类的情况,最后,其实锁机制是一种比较粗糙,粒度比较大的机制,相对于像计数器这样的需求有点儿过于笨重,因此,对于这种需求我们期待一种更合适、更高效的线程安全机制。

package TestAtomicInteger;
 
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
 
class MyThread implements Runnable {
//    static  int i = 0;
     static AtomicInteger ai=new AtomicInteger(0);
      
 
    public void run() {
        for (int m = 0; m < 1000000; m++) {
            ai.getAndIncrement();
        }
    }
};
 
public class TestAtomicInteger {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        MyThread mt = new MyThread();
 
        Thread t1 = new Thread(mt);
        Thread t2 = new Thread(mt);
        t1.start();
        t2.start();
        Thread.sleep(500);
        System.out.println(MyThread.ai.get());
    }
}

  可以发现结果都是2000000,也就是说AtomicInteger是线程安全的。

  下面我们就以模拟CAS机制来实现Counter的例子:

  CAS类:

并发-AtomicInteger源码分析—基于CAS的乐观锁实现
 1 public class SimpleCAS {
2 private volatile int value;
3 public synchronized int getValue(){
4 return value;
5 }
6 public synchronized boolean comperaAndSwap(int expectedValue,int newValue){
7 int oldValue = value;
8 if(oldValue == expectedValue){
9 value = newValue;
10 return true;
11 }else{
12 return false;
13 }
14 }
15 }
并发-AtomicInteger源码分析—基于CAS的乐观锁实现

  CASCounter类:

并发-AtomicInteger源码分析—基于CAS的乐观锁实现
 1 public class CASCounter {
2 private SimpleCAS cas;
3 public int getValue(){
4 return cas.getValue();
5 }
6 public int increment(){
7 int olevalue = cas.getValue();
8 for (; ;) {
9 if(cas.comperaAndSwap(olevalue, olevalue+1)){
10 return cas.getValue();
11 }
12 }
13
14 }
15 }
并发-AtomicInteger源码分析—基于CAS的乐观锁实现

  上面的模拟不是CSA的真正实现,其实我们在语言层面是没有做任何同步的操作的,大家也可以看到源码没有任何锁加在上面,可它为什么是线程安全的呢?这就是Atomic包下这些类的奥秘:语言层面不做处理,我们将其交给硬件—CPU和内存,利用CPU的多处理能力,实现硬件层面的阻塞,再加上volatile变量的特性即可实现基于原子操作的线程安全。所以说,CAS并不是无阻塞,只是阻塞并非在语言、线程方面,而是在硬件层面,所以无疑这样的操作会更快更高效!

  总结一下,AtomicInteger基于冲突检测的乐观并发策略。 可以想象,这种乐观在线程数目非常多的情况下,失败的概率会指数型增加。

AtomicInteger等对象出现的目的主要是为了解决在多线程环境下变量计数的问题,例如常用的i++,i--操作,它们不是线程安全的,AtomicInteger引入后,就不必在进行i++和i--操作时,进行加锁操作,在我们日常工作中,有很多业务场景需要在多线程环境下进行变量的计数:订单数统计、访问量统计、累计相应时长统计等。

demo 源码:https://github.com/mantuliu/javaAdvance

下面我们先分析一下AtomicInteger的源代码。通过源码分析我们知道,AtomicInteger的核心就是一个CAS算法(CompareAndSwap),比较并交换算法,此算法是由unsafe的底层代码实现,它是一个原子的操作,原理就是:如果内存中的实际值与update值相同,则将实际值更新为expect值,反之则返回失败,由上层系统循环获取实际值后,再次调用此CAS算法:

并发-AtomicInteger源码分析—基于CAS的乐观锁实现
/*
* ORACLE PROPRIETARY/CONFIDENTIAL. Use is subject to license terms.
*
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*
*/ /*
*
*
*
*
*
* Written by Doug Lea with assistance from members of JCP JSR-166
* Expert Group and released to the public domain, as explained at
* http://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0/
*/ package java.util.concurrent.atomic;
import sun.misc.Unsafe; /**
* An {@code int} value that may be updated atomically. See the
* {@link java.util.concurrent.atomic} package specification for
* description of the properties of atomic variables. An
* {@code AtomicInteger} is used in applications such as atomically
* incremented counters, and cannot be used as a replacement for an
* {@link java.lang.Integer}. However, this class does extend
* {@code Number} to allow uniform access by tools and utilities that
* deal with numerically-based classes.
*
* @since 1.5
* @author Doug Lea
*/
public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
private static final long serialVersionUID = 6214790243416807050L; // setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updates
private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
private static final long valueOffset;//value值的偏移地址 static {
try {
valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
(AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
} catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
} private volatile int value;//实际的值 /**
* Creates a new AtomicInteger with the given initial value.
*
* @param initialValue the initial value
*/
public AtomicInteger(int initialValue) {
value = initialValue;//初始化
} /**
* Creates a new AtomicInteger with initial value {@code 0}.
*/
public AtomicInteger() {
} /**
* Gets the current value.
*
* @return the current value
*/
public final int get() {
return value;//返回value值
} /**
* Sets to the given value.
*
* @param newValue the new value
*/
public final void set(int newValue) {
value = newValue;//设置新值,因为没有判断oldvalue,所以此操作是非线程安全的
} /**
* Eventually sets to the given value.
*
* @param newValue the new value
* @since 1.6
*/
public final void lazySet(int newValue) {
unsafe.putOrderedInt(this, valueOffset, newValue);//与set操作效果一样,只是采用的是unsafe对象中通过偏移地址来设置值的方式
} /**
* Atomically sets to the given value and returns the old value.
*
* @param newValue the new value
* @return the previous value
*/
public final int getAndSet(int newValue) {//原子操作,设置新值,返回老值
for (;;) {
int current = get();
if (compareAndSet(current, newValue))//通过CAS算法,比较current的值和实际值是否一致,如果一致则设置为newValue
return current;
}
} /**
* Atomically sets the value to the given updated value
* if the current value {@code ==} the expected value.
*
* @param expect the expected value
* @param update the new value
* @return true if successful. False return indicates that
* the actual value was not equal to the expected value.
*/
public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
} /**
* Atomically sets the value to the given updated value
* if the current value {@code ==} the expected value.
*
* <p>May <a href="package-summary.html#Spurious">fail spuriously</a>
* and does not provide ordering guarantees, so is only rarely an
* appropriate alternative to {@code compareAndSet}.
*
* @param expect the expected value
* @param update the new value
* @return true if successful.
*/
public final boolean weakCompareAndSet(int expect, int update) {
return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
} /**
* Atomically increments by one the current value.
*
* @return the previous value
*/
public final int getAndIncrement() {//i++操作
for (;;) {
int current = get();//获取当前值
int next = current + 1;//当前值+1
if (compareAndSet(current, next))//比较current值和实际的值是否一致,如不一致,则继续循环
return current;
}
} /**
* Atomically decrements by one the current value.
*
* @return the previous value
*/
public final int getAndDecrement() {
for (;;) {
int current = get();
int next = current - 1;
if (compareAndSet(current, next))
return current;
}
} /**
* Atomically adds the given value to the current value.
*
* @param delta the value to add
* @return the previous value
*/
public final int getAndAdd(int delta) {//例如:当我们统计接口的响应时间时,可以利用此方法
for (;;) {
int current = get();
int next = current + delta;
if (compareAndSet(current, next))
return current;
}
} /**
* Atomically increments by one the current value.
*
* @return the updated value
*/
public final int incrementAndGet() {
for (;;) {
int current = get();
int next = current + 1;
if (compareAndSet(current, next))
return next;
}
} /**
* Atomically decrements by one the current value.
*
* @return the updated value
*/
public final int decrementAndGet() {
for (;;) {
int current = get();
int next = current - 1;
if (compareAndSet(current, next))
return next;
}
} /**
* Atomically adds the given value to the current value.
*
* @param delta the value to add
* @return the updated value
*/
public final int addAndGet(int delta) {
for (;;) {
int current = get();
int next = current + delta;
if (compareAndSet(current, next))
return next;
}
} /**
* Returns the String representation of the current value.
* @return the String representation of the current value.
*/
public String toString() {
return Integer.toString(get());
} public int intValue() {
return get();
} public long longValue() {
return (long)get();
} public float floatValue() {
return (float)get();
} public double doubleValue() {
return (double)get();
} }
并发-AtomicInteger源码分析—基于CAS的乐观锁实现

下面,我们为四种情况(同步关键字、ReentrantLock公平锁和非公平锁、AtomicInteger)做一下性能对比分析,当我们看到上面的代码分析后,我们判断AtomicInteger应该比加锁的方式快,但是实验的结果表明,AtomicInteger只比ReentrantLock加公平锁的情况快几十倍,比其它两种方式略慢一些。

四个demo都用100个线程来循环模拟下单60秒钟:

demo Lesson8SyncIntPerform:在使用同步关键字加锁的情况下100个线程循环下单数为:677337556

demo Lesson8SyncIntPerform:在使用同步关键字加锁的情况下100个线程循环下单数为:755994691

demo Lesson8AtomicIntPerform:在使用AtomicInteger的情况下100个线程循环下单数为:562359607

demo Lesson8AtomicIntPerform:在使用AtomicInteger的情况下100个线程循环下单数为:575367967

demo Lesson8LockIntPerform:在使用ReentrantLock加非公平锁的情况下100个线程循环下单数为:857239882

demo Lesson8LockIntPerform:在使用ReentrantLock加非公平锁的情况下100个线程循环下单数为:860364303

demo Lesson8LockFairIntPerform:在使用ReentrantLock加公平锁的情况下100个线程循环下单数为:19153640

demo Lesson8LockFairIntPerform:在使用ReentrantLock加公平锁的情况下100个线程循环下单数为:19076567

上面的实验结果表明,在jdk1.6及后续的版本中(本实验的jdk版本是1.7,操作系统为windows操作系统),已经对于synchronized关键字的性能优化了很多,已经和ReentrantLock的性能差不多,加锁的效果比不加锁时使用AtomicInteger性能效果还要略好一些,但是公平锁的性能明显降低,其它三种情况下的性能是公平锁性能的几十倍以上,这和公平锁每次试图占有锁时,都必须先要进等待队列,按照FIFO的顺序去获取锁,因此在我们的实验情景下,使用公平锁的线程进行了频繁切换,而频繁切换线程,性能必然会下降的厉害,这也告诫了我们在实际的开发过程中,在需要使用公平锁的情景下,务必要考虑线程的切换频率。

AtomicStampedReference解决ABA问题

在运用CAS做Lock-Free操作中有一个经典的ABA问题:

线程1准备用CAS将变量的值由A替换为B,在此之前,线程2将变量的值由A替换为C,又由C替换为A,然后线程1执行CAS时发现变量的值仍然为A,所以CAS成功。但实际上这时的现场已经和最初不同了,尽管CAS成功,但可能存在潜藏的问题,例如下面的例子:

并发-AtomicInteger源码分析—基于CAS的乐观锁实现

现有一个用单向链表实现的堆栈,栈顶为A,这时线程T1已经知道A.next为B,然后希望用CAS将栈顶替换为B:

head.compareAndSet(A,B);

在T1执行上面这条指令之前,线程T2介入,将A、B出栈,再pushD、C、A,此时堆栈结构如下图,而对象B此时处于游离状态:

并发-AtomicInteger源码分析—基于CAS的乐观锁实现

此时轮到线程T1执行CAS操作,检测发现栈顶仍为A,所以CAS成功,栈顶变为B,但实际上B.next为null,所以此时的情况变为:

并发-AtomicInteger源码分析—基于CAS的乐观锁实现

其中堆栈中只有B一个元素,C和D组成的链表不再存在于堆栈中,平白无故就把C、D丢掉了。

以上就是由于ABA问题带来的隐患,各种乐观锁的实现中通常都会用版本戳version来对记录或对象标记,避免并发操作带来的问题,在Java中,AtomicStampedReference<E>也实现了这个作用,它通过包装[E,Integer]的元组来对对象标记版本戳stamp,从而避免ABA问题,例如下面的代码分别用AtomicInteger和AtomicStampedReference来对初始值为100的原子整型变量进行更新,AtomicInteger会成功执行CAS操作,而加上版本戳的AtomicStampedReference对于ABA问题会执行CAS失败:

public class Test {

private static AtomicInteger atomicInt = new AtomicInteger(100);

private static AtomicStampedReference atomicStampedRef = new AtomicStampedReference(100, 0);

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

Thread intT1 = new Thread(new Runnable() {

@Override

public void run() {

atomicInt.compareAndSet(100, 101);

atomicInt.compareAndSet(101, 100);

}

});

Thread intT2 = new Thread(new Runnable() {

@Override

public void run() {

try {

TimeUnit.SECONDS.sleep(1);

} catch (InterruptedException e) {

}

boolean c3 = atomicInt.compareAndSet(100, 101);

System.out.println(c3); // true

}

});

intT1.start();

intT2.start();

intT1.join();

intT2.join();

Thread refT1 = new Thread(new Runnable() {

@Override

public void run()

try {

TimeUnit.SECONDS.sleep(1);

} catch (InterruptedException e) {

}

atomicStampedRef.compareAndSet(100, 101, atomicStampedRef.getStamp(), atomicStampedRef.getStamp() + 1);

atomicStampedRef.compareAndSet(101, 100, atomicStampedRef.getStamp(), atomicStampedRef.getStamp() + 1);

}

});

Thread refT2 = new Thread(new Runnable() {

@Override

public void run() {

int stamp = atomicStampedRef.getStamp();

try {

TimeUnit.SECONDS.sleep(2);

} catch (InterruptedException e) {

}

boolean c3 = atomicStampedRef.compareAndSet(100, 101, stamp, stamp + 1);

System.out.println(c3); // false

}

});

refT1.start();

refT2.start();

}

}

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