1 無鎖類的原理詳解
1.1 CAS
CAS算法的過程是這樣：它包含3個參數CAS(V,E,N)。V表示要更新的變量，E表示預期值，N表示新值。僅當V
值等於E值時，纔會將V的值設爲N，如果V值和E值不同，則說明已經有其他線程做了更新，則當前線程什麼
都不做。最後，CAS返回當前V的真實值。CAS操作是抱着樂觀的態度進行的，它總是認爲自己可以成功完成
操作。當多個線程同時使用CAS操作一個變量時，只有一個會勝出，併成功更新，其餘均會失敗。失敗的線程
不會被掛起，僅是被告知失敗，並且允許再次嘗試，當然也允許失敗的線程放棄操作。基於這樣的原理，CAS
操作即時沒有鎖，也可以發現其他線程對當前線程的干擾，並進行恰當的處理。
我們會發現，CAS的步驟太多，有沒有可能在判斷V和E相同後，正要賦值時，切換了線程，更改了值。造成了數據不一致呢？
事實上，這個擔心是多餘的。CAS整一個操作過程是一個原子操作，它是由一條CPU指令完成的。
1.2 CPU指令
CAS的CPU指令是cmpxchg
指令代碼如下：
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/* 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; } |
目標值和寄存器裏的值相等的話，就設置一個跳轉標誌，並且把原始數據設到目標裏面去。如果不等的話，就不設置跳轉標誌了。
Java當中提供了很多無鎖類，下面來介紹下無鎖類。
2 無所類的使用
我們已經知道，無鎖比阻塞效率要高得多。我們來看看Java是如何實現這些無鎖類的。
2.1. AtomicInteger
AtomicInteger和Integer一樣，都繼承與Number類
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public
class
AtomicInteger extends
Number implements
java.io.Serializable |
AtomicInteger裏面有很多CAS操作，典型的有：
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public
final
boolean
compareAndSet(int
expect, int
update) { return
unsafe.compareAndSwapInt(this,
valueOffset, expect, update); } |
這裏來解釋一下unsafe.compareAndSwapInt方法，他的意思是，對於this這個類上的偏移量爲valueOffset的變量值如果與期望值expect相同，那麼把這個變量的值設爲update。
其實偏移量爲valueOffset的變量就是value
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static
{ try
{ valueOffset
= unsafe.objectFieldOffset (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value")); }
catch
(Exception ex) { throw
new
Error(ex); }} |
我們此前說過，CAS是有可能會失敗的，但是失敗的代價是很小的，所以一般的實現都是在一個無限循環體內，直到成功爲止。
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public
final
int
getAndIncrement() { for
(;;) { int
current = get(); int
next = current + 1; if
(compareAndSet(current, next)) return
current; } } |
2.2 Unsafe
從類名就可知，Unsafe操作是非安全的操作，比如：
- 根據偏移量設置值（在剛剛介紹的AtomicInteger中已經看到了這個功能）
- park()（把這個線程停下來，在以後的Blog中會提到）
- 底層的CAS操作
非公開API，在不同版本的JDK中，可能有較大差異
2.3. AtomicReference
前面已經提到了AtomicInteger，當然還有AtomicBoolean，AtomicLong等等，都大同小異。
這裏要介紹的是AtomicReference。
AtomicReference是一種模板類
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public
class
AtomicReference<V> implements
java.io.Serializable |
它可以用來封裝任意類型的數據。
比如String
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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(); } }} |
結果：
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10Failed13Failed9Change
value11Failed12Failed15Failed17Failed14Failed16Failed18Failed |
可以看到只有一個線程能夠修改值，並且後面的線程都不能再修改。
2.4.AtomicStampedReference
我們會發現CAS操作還是有一個問題的
比如之前的AtomicInteger的incrementAndGet方法
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public
final
int
incrementAndGet() { for
(;;) { int
current = get(); int
next = current + 1; if
(compareAndSet(current, next)) return
next; } } |
假設當前value=1當某線程int current = get()執行後，切換到另一個線程，這個線程將1變成了2，然後又一個線程將2又變成了1。此時再切換到最開始的那個線程，由於value仍等於1，所以還是能執行CAS操作，當然加法是沒有問題的，如果有些情況，對數據的狀態敏感時，這樣的過程就不被允許了。
此時就需要AtomicStampedReference類。
其內部實現一個Pair類來封裝值和時間戳。
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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); } } |
這個類的主要思想是加入時間戳來標識每一次改變。
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//比較設置
參數依次爲：期望值 寫入新值 期望時間戳 新時間戳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))); } |
當期望值等於當前值，並且期望時間戳等於現在的時間戳時，才寫入新值，並且更新新的時間戳。
這裏舉個用AtomicStampedReference的場景，可能不太適合，但是想不到好的場景了。
場景背景是，某公司給餘額少的用戶免費充值，但是每個用戶只能充值一次。
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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，餘額:" +
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("消費10元，餘額:" +
money.getReference()); break; } }else
{ break; } } try { Thread.sleep(100); } catch
(Exception e) { //
TODO: handle exception } } }; }.start(); }} |
解釋下代碼，有3個線程在給用戶充值，當用戶餘額少於20時，就給用戶充值20元。有100個線程在消費，每次消費10元。用戶初始有9元，當使用AtomicStampedReference來實現時，只會給用戶充值一次，因爲每次操作使得時間戳+1。運行結果：
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充值成功，餘額:39消費10元，餘額:29消費10元，餘額:19消費10元，餘額:9 |
如果使用AtomicReference<Integer>或者 Atomic Integer來實現就會造成多次充值。
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充值成功，餘額:39消費10元，餘額:29消費10元，餘額:19充值成功，餘額:39消費10元，餘額:29消費10元，餘額:19充值成功，餘額:39消費10元，餘額:29 |
2.5. AtomicIntegerArray
與AtomicInteger相比，數組的實現不過是多了一個下標。
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public
final
boolean
compareAndSet(int
i, int
expect, int
update) { return
compareAndSetRaw(checkedByteOffset(i), expect, update); } |
它的內部只是封裝了一個普通的array
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private
final
int[]
array; |
裏面有意思的是運用了二進制數的前導零來算數組中的偏移量。
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shift
= 31
- Integer.numberOfLeadingZeros(scale); |
前導零的意思就是比如8位表示12,00001100，那麼前導零就是1前面的0的個數，就是4。
具體偏移量如何計算，這裏就不再做介紹了。
2.6. AtomicIntegerFieldUpdater
AtomicIntegerFieldUpdater類的主要作用是讓普通變量也享受原子操作。
就比如原本有一個變量是int型，並且很多地方都應用了這個變量，但是在某個場景下，想讓int型變成AtomicInteger，但是如果直接改類型，就要改其他地方的應用。AtomicIntegerFieldUpdater就是爲了解決這樣的問題產生的。
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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); }} |
上述代碼將score使用 AtomicIntegerFieldUpdater變成 AtomicInteger。保證了線程安全。
這裏使用allscore來驗證，如果score和allscore數值相同，則說明是線程安全的。
小說明：
- Updater只能修改它可見範圍內的變量。因爲Updater使用反射得到這個變量。如果變量不可見，就會出錯。比如如果某變量申明爲private，就是不可行的。
- 爲了確保變量被正確的讀取，它必須是volatile類型的。如果我們原有代碼中未申明這個類型，那麼簡單得申明一下就行，這不會引起什麼問題。
- 由於CAS操作會通過對象實例中的偏移量直接進行賦值，因此，它不支持static字段（Unsafe.objectFieldOffset()不支持靜態變量）。