1.同步問題的提出

假設(shè)我們使用一個(gè)雙核處理器執(zhí)行A和B兩個(gè)線程，核1執(zhí)行A線程，而核2執(zhí)行B線程，這兩個(gè)線程現(xiàn)在都要對(duì)名為obj的對(duì)象的成員變量i進(jìn)行加1操作，假設(shè)i的初始值為0，理論上兩個(gè)線程運(yùn)行后i的值應(yīng)該變成2，但實(shí)際上很有可能結(jié)果為1。

我們現(xiàn)在來分析原因，這里為了分析的簡(jiǎn)單，我們不考慮緩存的情況，實(shí)際上有緩存會(huì)使結(jié)果為1的可能性增大。A線程將內(nèi)存中的變量i讀取到核1算數(shù)運(yùn)算單元中，然后進(jìn)行加1操作，再將這個(gè)計(jì)算結(jié)果寫回到內(nèi)存中，因?yàn)樯鲜霾僮鞑皇窃硬僮?，只要B線程在A線程將i增加1的值寫回到內(nèi)存之前，讀取了內(nèi)存中i的值（此時(shí)i值為0），那么一定就會(huì)出現(xiàn)i的結(jié)果為1。因?yàn)锳和B線程讀取的i的值都為0，兩個(gè)線程對(duì)它加1后的值都為1，兩個(gè)線程先后將1寫入到變量i中,也就是說i被兩次寫入的值都為1。

最通常的解決方法是兩個(gè)線程中對(duì)i加1的代碼用synchronize關(guān)鍵字對(duì)obj對(duì)象加鎖。今天我們介紹一種新的解決方案，即使用Atomic包中的相關(guān)類來解決。

2.Atomic在硬件上的支持

在單處理器系統(tǒng)(UniProcessor)中，能夠在單條指令中完成的操作都可以認(rèn)為是"原子操作"，因?yàn)橹袛嘀荒馨l(fā)生于指令之間（因?yàn)榫€程的調(diào)度需要通過中斷完成）。這也是某些CPU指令系統(tǒng)中引入了test_and_set、test_and_clear等指令用于臨界資源互斥的原因。在對(duì)稱多處理器(SymmetricMulti-Processor)結(jié)構(gòu)中就不同了，由于系統(tǒng)中有多個(gè)處理器在獨(dú)立地運(yùn)行，即使能在單條指令中完成的操作也有可能受到干擾。

在x86平臺(tái)上，CPU提供了在指令執(zhí)行期間對(duì)總線加鎖的手段。CPU芯片上有一條引線#HLOCKpin，如果匯編語言的程序中在一條指令前面加上前綴"LOCK"，經(jīng)過匯編以后的機(jī)器代碼就使CPU在執(zhí)行這條指令的時(shí)候把#HLOCKpin的電位拉低，持續(xù)到這條指令結(jié)束時(shí)放開，從而把總線鎖住，這樣同一總線上別的CPU就暫時(shí)不能通過總線訪問內(nèi)存了，保證了這條指令在多處理器環(huán)境中的原子性。當(dāng)然，并不是所有的指令前面都可以加lock前綴的，只有ADD,ADC,AND,BTC,BTR,BTS,CMPXCHG,DEC,INC,NEG,NOT,OR,SBB,SUB,XOR,XADD,和XCHG指令前面可以加"LOCK"指令，實(shí)現(xiàn)原子操作。

Atomic的核心操作就是CAS（compareandset,利用CMPXCHG指令實(shí)現(xiàn)，它是一個(gè)原子指令）,該指令有三個(gè)操作數(shù)，變量的內(nèi)存值V（value的縮寫），變量的當(dāng)前預(yù)期值E（exception的縮寫），變量想要更新的值U（update的縮寫），當(dāng)內(nèi)存值和當(dāng)前預(yù)期值相同時(shí)，將變量的更新值覆蓋內(nèi)存值，執(zhí)行偽代碼如下。

if(V == E){ 
  V = U 
  return true 
}else{ 
  return false 
}

現(xiàn)在我們就用CAS操作來解決上述問題。B線程將內(nèi)存中的變量i讀取一個(gè)臨時(shí)變量中（假設(shè)此時(shí)讀取的值為0），然后再將i的值讀取到core1的算數(shù)運(yùn)算單元中，接下來進(jìn)行加1操作，比較臨時(shí)變量中的值和i當(dāng)前的值是否相同，如果相同用運(yùn)算單元中的結(jié)果（即i+1）的值覆蓋內(nèi)存中i的值（注意這一部分就是CAS操作，它是個(gè)原子操作，不能被中斷且其它線程中的CAS操作不能同時(shí)執(zhí)行），否則指令執(zhí)行失敗。如果指令失敗，說明A線程已經(jīng)將i的值加1。由此可知如果兩個(gè)線程一開始讀取的i的值為都為0，那么必然只有一個(gè)線程的CAS操作能夠成功，因?yàn)镃AS操作不能并發(fā)執(zhí)行。對(duì)于CAS操作執(zhí)行失敗的線程，只要循環(huán)執(zhí)行CAS操作，那么一定能夠成功?？梢钥吹讲]有線程阻塞，這和synchronize的原理有著本質(zhì)的不同。

3.Atomic包簡(jiǎn)介及源碼分析

Atomic包中的類基本的特性就是在多線程環(huán)境下，當(dāng)有多個(gè)線程同時(shí)對(duì)單個(gè)（包括基本類型及引用類型）變量進(jìn)行操作時(shí)，具有排他性，即當(dāng)多個(gè)線程同時(shí)對(duì)該變量的值進(jìn)行更新時(shí)，僅有一個(gè)線程能成功，而未成功的線程可以向自旋鎖一樣，繼續(xù)嘗試，一直等到執(zhí)行成功。

Atomic系列的類中的核心方法都會(huì)調(diào)用unsafe類中的幾個(gè)本地方法。我們需要先知道一個(gè)東西就是Unsafe類，全名為：sun.misc.Unsafe，這個(gè)類包含了大量的對(duì)C代碼的操作，包括很多直接內(nèi)存分配以及原子操作的調(diào)用，而它之所以標(biāo)記為非安全的，是告訴你這個(gè)里面大量的方法調(diào)用都會(huì)存在安全隱患，需要小心使用，否則會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的后果，例如在通過unsafe分配內(nèi)存的時(shí)候，如果自己指定某些區(qū)域可能會(huì)導(dǎo)致一些類似C++一樣的指針越界到其他進(jìn)程的問題。

Atomic包中的類按照操作的數(shù)據(jù)類型可以分成4組

AtomicBoolean，AtomicInteger，AtomicLong

線程安全的基本類型的原子性操作

AtomicIntegerArray，AtomicLongArray，AtomicReferenceArray

線程安全的數(shù)組類型的原子性操作，它操作的不是整個(gè)數(shù)組，而是數(shù)組中的單個(gè)元素

AtomicLongFieldUpdater，AtomicIntegerFieldUpdater，AtomicReferenceFieldUpdater

基于反射原理對(duì)象中的基本類型（長(zhǎng)整型、整型和引用類型）進(jìn)行線程安全的操作

AtomicReference，AtomicMarkableReference，AtomicStampedReference

線程安全的引用類型及防止ABA問題的引用類型的原子操作

我們一般常用的AtomicInteger、AtomicReference和AtomicStampedReference?，F(xiàn)在我們來分析一下Atomic包中AtomicInteger的源代碼，其它類的源代碼在原理上都比較類似。

1.有參構(gòu)造函數(shù)

public AtomicInteger(int initialValue) { 
  value = initialValue;
}

從構(gòu)造函數(shù)函數(shù)可以看出，數(shù)值存放在成員變量value中

private volatile int value;

成員變量value聲明為volatile類型，說明了多線程下的可見性，即任何一個(gè)線程的修改，在其它線程中都會(huì)被立刻看到

2.compareAndSet方法（value的值通過內(nèi)部this和valueOffset傳遞）

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

這個(gè)方法就是最核心的CAS操作

3.getAndSet方法,在該方法中調(diào)用了compareAndSet方法

public final int getAndSet(int newValue) {
    for (;;) {
      int current = get();
      if (compareAndSet(current, newValue))
        return current;
    }
}

如果在執(zhí)行if(compareAndSet(current,newValue)之前其它線程更改了value的值，那么導(dǎo)致value的值必定和current的值不同，compareAndSet執(zhí)行失敗，只能重新獲取value的值，然后繼續(xù)比較，直到成功。

4.i++的實(shí)現(xiàn)

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

5. ++i的實(shí)現(xiàn)

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

4.使用AtomicInteger例子

下面的程序，利用AtomicInteger模擬賣票程序，運(yùn)行結(jié)果中不會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)程序賣了同一張票，也不會(huì)賣到票為負(fù)數(shù)

package javaleanning;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
public class SellTickets {
	AtomicInteger tickets = new AtomicInteger(100);
	class Seller implements Runnable{
		@Override
		    public void run() {
			while(tickets.get() > 0){
				int tmp = tickets.get();
				if(tickets.compareAndSet(tmp, tmp-1)){
					System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" "+tmp);
				}
			}
		}
	}
	public static void main(String[] args) {
		SellTickets st = new SellTickets();
		new Thread(st.new Seller(), "SellerA").start();
		new Thread(st.new Seller(), "SellerB").start();
	}
}

5.ABA問題

上述的例子運(yùn)行結(jié)果完全正確，這是基于兩個(gè)（或多個(gè)）線程都是向同一個(gè)方向?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行操作，上面的例子中兩個(gè)線程都是是對(duì)tickets進(jìn)行遞減操作。再比如，多個(gè)線程對(duì)一個(gè)共享隊(duì)列都進(jìn)行對(duì)象的入列操作，那么通過AtomicReference類也可以得到正確的結(jié)果（AQS中維護(hù)的隊(duì)列其實(shí)就是這個(gè)情況），但是多個(gè)線程即可以入列也可以出列，也就是數(shù)據(jù)的操作方向不一致，那么可能出現(xiàn)ABA的情況。

我們現(xiàn)在拿一個(gè)比較好理解的例子來解釋ABA問題，假設(shè)有兩個(gè)線程T1和T2，這兩個(gè)線程對(duì)同一個(gè)棧進(jìn)行出棧和入棧的操作。

我們使用AtomicReference定義的tail來保存棧頂位置

AtomicReference<T> tail;

假設(shè)T1線程準(zhǔn)備出棧，對(duì)于出棧操作我們只需要將棧頂位置由sp通過CAS操作更新為newSP即可，如圖1所示。但是在T1線程執(zhí)行tail.compareAndSet(sp,newSP)之前系統(tǒng)進(jìn)行了線程調(diào)度，T2線程開始執(zhí)行。T2執(zhí)行了三個(gè)操作，A出棧，B出棧，然后又將A入棧。此時(shí)系統(tǒng)又開始調(diào)度，T1線程繼續(xù)執(zhí)行出棧操作，但是在T1線程看來，棧頂元素仍然為A，（即T1仍然認(rèn)為B還是棧頂A的下一個(gè)元素），而實(shí)際上的情況如圖2所示。T1會(huì)認(rèn)為棧沒有發(fā)生變化，所以tail.compareAndSet(sp,newSP)執(zhí)行成功，棧頂指針被指向了B節(jié)點(diǎn)。而實(shí)際上B已經(jīng)不存在于堆棧中，T1將A出棧后的結(jié)果如圖3所示，這顯然不是正確的結(jié)果。

6.ABA問題的解決方法

使用AtomicMarkableReference，AtomicStampedReference。使用上述兩個(gè)Atomic類進(jìn)行操作。他們?cè)趯?shí)現(xiàn)compareAndSet指令的時(shí)候除了要比較當(dāng)對(duì)象的前值和預(yù)期值以外，還要比較當(dāng)前（操作的）戳值和預(yù)期（操作的）戳值，當(dāng)全部相同時(shí)，compareAndSet方法才能成功。每次更新成功，戳值都會(huì)發(fā)生變化，戳值的設(shè)置是由編程人員自己控制的。

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)));
}

這時(shí)的compareAndSet方法需要四個(gè)參數(shù)expectedReference,newReference,expectedStamp,newStamp，我們?cè)谑褂眠@個(gè)方法時(shí)要保證期望的戳值和要更新戳值不能一樣，通常newStamp=expectedStamp+1

還拿上述的例子

假設(shè)線程T1在彈棧之前：sp指向A，戳值為100。

線程T2執(zhí)行：將A出棧后，sp指向B，戳值變?yōu)?01，

B出棧后，sp指向C，戳值變?yōu)?02，

A入棧后，sp指向A，戳值變?yōu)?03，

線程T1繼續(xù)執(zhí)行compareAndSet語句，發(fā)現(xiàn)sp雖然還是指向A，但是戳值的預(yù)期值100和當(dāng)前值103不同，所以compareAndSet失敗，需要從新獲取newSP的值（此時(shí)newSP就會(huì)指向C），以及戳的預(yù)期值103，然后再次進(jìn)行compareAndSet操作，這樣A成功出棧，sp會(huì)指向C。

注意，由于compareAndSet只能一次改變一個(gè)值，無法同時(shí)改變newReference和newStamp，所以在實(shí)現(xiàn)的時(shí)候，在內(nèi)部定義了一個(gè)類Pair類將newReference和newStamp變成一個(gè)對(duì)象，進(jìn)行CAS操作的時(shí)候，實(shí)際上是對(duì)Pair對(duì)象的操作

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);
  }
}

對(duì)于AtomicMarkableReference而言，戳值是一個(gè)布爾類型的變量，而AtomicStampedReference中戳值是一個(gè)整型變量。

總結(jié)

以上就是本文關(guān)于淺談Java中的atomic包實(shí)現(xiàn)原理及應(yīng)用的全部?jī)?nèi)容，希望對(duì)大家有所幫助。感興趣的朋友可以繼續(xù)參閱本站其他相關(guān)專題，如有不足之處，歡迎留言指出。

最新評(píng)論