本章内容

CAS 与 volatile
原子整数
原子引用
原子累加器
Unsafe

问题提出

有如下需求，保证 account.withdraw 取款方法的线程安全

/**
 * @author sunfeng
 * @date 2021/04/14 10:50
 **/
public interface Account {
    // 获取余额
    Integer getBalance();

    // 取款
    void withdraw(Integer amount);

    /**
     * 方法内会启动 1000 个线程，每个线程做 -10 元 的操作
     * 如果初始余额为 10000 那么正确的结果应当是 0
     */
    static void demo(Account account) {
        List<Thread> ts = new ArrayList<>();
        long start = System.nanoTime();
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            ts.add(new Thread(() -> {
                account.withdraw(10);
            }));
        }
        ts.forEach(Thread::start);
        ts.forEach(t -> {
            try {
                t.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
        long end = System.nanoTime();
        System.out.println(account.getBalance()
                + " cost: " + (end - start) / 1000_000 + " ms");
    }
}

原有实现并不是线程安全的

/**
 * @author sunfeng
 * @date 2021/04/14 10:51
 **/
public class AccountUnsafe implements Account{


    private Integer balance;

    public AccountUnsafe(Integer balance) {
        this.balance = balance;
    }

    @Override
    public Integer getBalance() {
        return balance;
    }

    @Override
    public void withdraw(Integer amount) {
        balance -= amount;
    }
}

测试

/**
 * @author sunfeng
 * @date 2021/04/14 10:52
 **/
public class AccountTest {
    public static void main(String[] args) {
        Account.demo(new AccountUnsafe(10000));
    }
}

结果

530 cost: 147 ms

为什么不安全

withdraw 方法

public void withdraw(Integer amount) {

balance -= amount;

}

对应的字节码文件为

public void withdraw(java.lang.Integer);
    Code:
       0: aload_0
       1: aload_0
       2: getfield      #2                  // Field balance:Ljava/lang/Integer; // this.balance
       5: invokevirtual #3                  // Method java/lang/Integer.intValue:()I   拆箱
       8: aload_1																		//amount					
       9: invokevirtual #3                  // Method java/lang/Integer.intValue:()I   拆箱
      12: isub                                                                            减法
      13: invokestatic  #4                  // Method java/lang/Integer.valueOf:(I)Ljava/lang/Integer;  将结果装箱
      16: putfield      #2                  // Field balance:Ljava/lang/Integer;   // this.balance
      19: return
}

单核的指令交错
多核的指令交错

都会造成线程安全问题

解决思路-锁

首先给Account 对象·加锁

public class AccountUnsafe implements Account{


    private Integer balance;

    public AccountUnsafe(Integer balance) {
        this.balance = balance;
    }

    @Override
    public synchronized Integer getBalance() {
        return balance;
    }

    @Override
    public synchronized void withdraw(Integer amount) {
        balance -= amount;
    }
}

结果为：0 cost: 158 ms

解决思路-无锁

/**
 * 无锁情况问题解决‘
 *
 * @author sunfeng
 * @date 2021/04/14 11:01
 **/
public class AccountSafe implements Account {

    private AtomicInteger balance;

    public AccountSafe(Integer balance) {
        this.balance = new AtomicInteger(balance);
    }

    @Override
    public Integer getBalance() {
        return balance.get();
    }

    @Override
    public void withdraw(Integer amount) {
        while (true) {
            int prev = balance.get();
            int next = prev - amount;
            if (balance.compareAndSet(prev, next)) {
                break;
            }
        }
        //  也可以使用简化方法
        // balance.addAndGet(-1*amount);

    }
}

执行测试代码

/**
 * @author sunfeng
 * @date 2021/04/14 10:52
 **/
public class AccountTest {
    public static void main(String[] args) {
      ///  Account.demo(new AccountUnsafe(10000));
        Account.demo(new AccountSafe(10000));
    }
}

随机一次的执行结果为：0 cost: 147 ms

CAS 与 volatile

前面看到的 AtomicInteger 的解决方法，内部并没有用锁来保护共享变量的线程安全。那么它是如何实现的呢？

public void withdraw(Integer amount) {
// 需要不断地尝试，直到成功为止
    while (true) {
    // 拿去到旧值
        int prev = balance.get();
        //计算出来的新值
        int next = prev - amount;
        //compareAndSet 正是做这个检查，在 set 前，先比较 prev 与当前值
		//- 不一致了，next 作废，返回 false 表示失败
		//比如，别的线程已经做了减法，当前值已经被减成了 990
		//那么本线程的这次 990 就作废了，进入 while 下次循环重试
		//- 一致，以 next 设置为新值，返回 true 表示成功
        if (balance.compareAndSet(prev, next)) {
            break;
        }
    }
    //  也可以使用简化方法
    // balance.addAndGet(-1*amount);
}

其中的关键是 compareAndSet，它的简称就是 CAS （也有 Compare And Swap 的说法），它必须是原子操作。

源码为：

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

第六章、共享模型之无锁（第一部分）本章内容问题提出CAS 与 volatile原子整数原子引用

注意

其实 CAS 的底层是 lock cmpxchg 指令（X86 架构），在单核 CPU 和多核 CPU下都能够保证【比较-交换】的原子性。
在多核状态下，某个核执行到带 lock 的指令时，CPU 会让总线锁住，当这个核把此指令执行完毕，再开启总线。这个过程中不会被线程的调度机制所打断，保证了多个线程对内存操作的准确性，是原子的。

volatile

获取共享变量时，为了保证该变量的可见性，需要使用 volatile 修饰。

它可以用来修饰成员变量和静态成员变量，他可以避免线程从自己的工作缓存中查找变量的值，必须到主存中获取它的值，线程操作 volatile 变量都是直接操作主存。即一个线程对 volatile 变量的修改，对另一个线程可见。

注意

volatile 仅仅保证了共享变量的可见性，让其它线程能够看到最新值，但不能解决指令交错问题（不能保证原子性）

CAS 必须借助 volatile 才能读取到共享变量的最新值来实现【比较并交换】的效果

为什么无锁效率高

无锁情况下，即使重试失败，线程始终在高速运行，没有停歇，而 synchronized 会让线程在没有获得锁的时候，发生上下文切换，进入阻塞
线程就好像高速跑道上的赛车，高速运行时，速度超快，一旦发生上下文切换，就好比赛车要减速、熄火，等被唤醒又得重新打火、启动、加速… 恢复到高速运行，代价比较大
但无锁情况下，因为线程要保持运行，需要额外 CPU 的支持，CPU 在这里就好比高速跑道，没有额外的跑道，线程想高速运行也无从谈起，虽然不会进入阻塞，但由于没有分到时间片，仍然会进入可运行状态，还是会导致上下文切换

CAS 的特点

结合 CAS 和 volatile 可以实现无锁并发，适用于线程数少、多核 CPU 的场景下。

CAS 是基于乐观锁的思想：最乐观的估计，不怕别的线程来修改共享变量，就算改了也没关系，我吃亏点再重试呗。
synchronized是基于悲观锁的思想：最悲观的估计，得防着其它线程来修改共享变量，我上了锁你们都别想改，我改完了解开锁，你们才有机会。
CAS 体现的是无锁并发、无阻塞并发，请仔细体会这两句话的意思因为没有使用 synchronized，所以线程不会陷入阻塞，这是效率提升的因素之一但如果竞争激烈，可以想到重试必然频繁发生，反而效率会受影响

原子整数

J.U.C 并发包提供了：

AtomicBoolean
AtomicInteger
AtomicLong

以 AtomicInteger 为例

AtomicInteger i = new AtomicInteger(0);
    // 获取并自增（i = 0, 结果 i = 1, 返回 0），类似于 i++
    System.out.println(i.getAndIncrement());
    // 自增并获取（i = 1, 结果 i = 2, 返回 2），类似于 ++i
    System.out.println(i.incrementAndGet());
    // 自减并获取（i = 2, 结果 i = 1, 返回 1），类似于 --i
    System.out.println(i.decrementAndGet());
    // 获取并自减（i = 1, 结果 i = 0, 返回 1），类似于 i--
    System.out.println(i.getAndDecrement());
    // 获取并加值（i = 0, 结果 i = 5, 返回 0）
    System.out.println(i.getAndAdd(5));
    // 加值并获取（i = 5, 结果 i = 0, 返回 0）
    System.out.println(i.addAndGet(-5));
    // 获取并更新（i = 0, p 为 i 的当前值, 结果 i = -2, 返回 0）
    // 其中函数中的操作能保证原子，但函数需要无副作用
    System.out.println(i.getAndUpdate(p -> p - 2));
    // 更新并获取（i = -2, p 为 i 的当前值, 结果 i = 0, 返回 0）
    // 其中函数中的操作能保证原子，但函数需要无副作用
    System.out.println(i.updateAndGet(p -> p + 2));
    // 获取并计算（i = 0, p 为 i 的当前值, x 为参数1, 结果 i = 10, 返回 0）
    // 其中函数中的操作能保证原子，但函数需要无副作用
    // getAndUpdate 如果在 lambda 中引用了外部的局部变量，要保证该局部变量是 final 的
    // getAndAccumulate 可以通过 参数1 来引用外部的局部变量，但因为其不在 lambda 中因此不必是 final
    System.out.println(i.getAndAccumulate(10, (p, x) -> p + x));
    // 计算并获取（i = 10, p 为 i 的当前值, x 为参数1, 结果 i = 0, 返回 0）
    // 其中函数中的操作能保证原子，但函数需要无副作用
    System.out.println(i.accumulateAndGet(-10, (p, x) -> p + x));

原子引用

为什么需要原子引用类型？

AtomicReference
AtomicMarkableReference
AtomicStampedReference

有如下方法

/**
 * @author sunfeng
 * @date 2021/04/14 13:35
 **/
public interface DecimalAccount {
    // 获取余额
    BigDecimal getBalance();
    // 取款
    void withdraw(BigDecimal amount);
    /**
     * 方法内会启动 1000 个线程，每个线程做 -10 元 的操作
     * 如果初始余额为 10000 那么正确的结果应当是 0
     */
    static void demo(DecimalAccount account) {
        List<Thread> ts = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            ts.add(new Thread(() -> {
                account.withdraw(BigDecimal.TEN);
            }));
        }
        ts.forEach(Thread::start);
        ts.forEach(t -> {
            try {
                t.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
        System.out.println(account.getBalance());
    }
}

线程不安全实现

/**
 * @author sunfeng  不安全的实现
 * @date 2021/04/14 13:35
 **/
public class DecimalAccountUnsafe implements DecimalAccount {

    BigDecimal balance;

    public DecimalAccountUnsafe(BigDecimal balance) {
        this.balance = balance;
    }

    @Override
    public BigDecimal getBalance() {
        return balance;
    }

    @Override
    public void withdraw(BigDecimal amount) {
        BigDecimal balance = this.getBalance();
       this.balance = balance.subtract(amount);
    }
}

使用锁实现

/**
 * 安全实现-使用锁
 * @author sunfeng
 * @date 2021/04/14 13:37
 **/
public class DecimalAccountSafeLock implements  DecimalAccount{

    private final Object lock = new Object();

    BigDecimal balance;

    public DecimalAccountSafeLock(BigDecimal balance) {
        this.balance = balance;
    }

    @Override
    public synchronized   BigDecimal getBalance() {
        return balance;
    }

    @Override
    public synchronized void withdraw(BigDecimal amount) {
            synchronized (lock){
                BigDecimal balance = this.getBalance();
                this.balance = balance.subtract(amount);
            }
    }
}

安全实现-使用CAS

/**
 * @author sunfeng
 * @date 2021/04/14 13:39
 **/
public class DecimalAccountSafeCas implements DecimalAccount {

    AtomicReference<BigDecimal> reference;

    public DecimalAccountSafeCas(BigDecimal bigDecimal) {
        this.reference = new AtomicReference<>(bigDecimal);
    }

    @Override
    public BigDecimal getBalance() {

        return reference.get();
    }

    @Override
    public void withdraw(BigDecimal amount) {
        while (true) {
            BigDecimal prev = reference.get();
            BigDecimal next = prev.subtract(amount);
            if (reference.compareAndSet(prev, next)) {
                break;
            }
        }
    }
}

测试代码

运行结果

770
0
0

ABA问题解决

ABA问题

：简单讲就是多线程环境，2次读写中一个线程修改A->B，然后又B->A，另一个线程看到的值未改变，又继续修改成自己的期望值。当然我们如果不关心过程，只关心结果，那么这个就是无所谓的ABA问题。

为了解决ABA问题，伟大的java为我们提供了AtomicStampedReference和AtomicMarkableReference类，为我们解决了问题

AtomicStampedReference是利用版本戳的形式记录了每次改变以后的版本号，这样的话就不会存在ABA问题了

问题呈现，下面的代码

/**
 * @author sunfeng
 * @date 2021/04/14 13:47
 **/
@Slf4j(topic = "c.ABAMethodTest")
public class ABAMethodTest {

    static AtomicReference<String> ref = new AtomicReference<>("A");

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        log.debug("main start...");
        // 获取值 A
        // 这个共享变量被它线程修改过？
        String prev = ref.get();
        other();
        TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(1000);
        // 尝试改为 C
        log.debug("change A->C {}", ref.compareAndSet(prev, "C"));
    }

    private static void other() throws InterruptedException {
        new Thread(() -> {
            log.debug("change A->B {}", ref.compareAndSet(ref.get(), "B"));
        }, "t1").start();
        TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(500);
        new Thread(() -> {
            log.debug("change B->A {}", ref.compareAndSet(ref.get(), "A"));
        }, "t2").start();
    }
}

输出

13:50:14.154 c.ABAMethodTest [main] - main start...
13:50:14.203 c.ABAMethodTest [t1] - change A->B true
13:50:14.704 c.ABAMethodTest [t2] - change B->A true
13:50:15.704 c.ABAMethodTest [main] - change A->C true

主线程仅能判断出共享变量的值与最初值 A 是否相同，不能感知到这种从 A 改为 B 又改回 A 的情况，如果主线程

希望：

只要有其它线程【动过了】共享变量，那么自己的 cas 就算失败，这时，仅比较值是不够的，需要再加一个版本号

AtomicStampedReference 来解决问题

/**
 * @author sunfeng
 * @date 2021/04/14 13:52
 **/
@Slf4j(topic = "c.ABAMethodTest2")
public class ABAMethodTest2 {
    static AtomicStampedReference<String> ref = new AtomicStampedReference<>("A", 0);

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        log.debug("main start...");
        // 获取值 A
        String prev = ref.getReference();
        // 获取版本号
        int stamp = ref.getStamp();
        log.debug("版本 {}", stamp);
        // 如果中间有其它线程干扰，发生了 ABA 现象
        other();
        TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(1000);
        // 尝试改为 C
        log.debug("change A->C {}", ref.compareAndSet(prev, "C", stamp, stamp + 1));
    }

    private static void other() throws InterruptedException {
        new Thread(() -> {
            log.debug("change A-> B {}", ref.compareAndSet(ref.getReference(), "B"
                    , ref.getStamp(), ref.getStamp() + 1));
            log.debug("跟新版本为{}", ref.getStamp());
        }).start();


        TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(500);

        new Thread(() -> {
            log.debug("change B->A:{}", ref.compareAndSet(ref.getReference(), "A",
                    ref.getStamp(), ref.getStamp() + 1));
            log.debug("跟新版本为{}", ref.getStamp());
        }).start();

    }
}

输出为：

13:57:01.907 c.ABAMethodTest2 [main] - main start...
13:57:01.909 c.ABAMethodTest2 [main] - 版本 0
13:57:01.954 c.ABAMethodTest2 [Thread-0] - change A-> B true
13:57:01.955 c.ABAMethodTest2 [Thread-0] - 跟新版本为1
13:57:02.454 c.ABAMethodTest2 [Thread-1] - change B->A:true
13:57:02.454 c.ABAMethodTest2 [Thread-1] - 跟新版本为2
13:57:03.454 c.ABAMethodTest2 [main] - change A->C false

AtomicStampedReference 可以给原子引用加上版本号，追踪原子引用整个的变化过程，如： A -> B -> A ->C ，通过AtomicStampedReference，我们可以知道，引用变量中途被更改了几次

但是有时候，并不关心引用变量更改了几次，只是单纯的关心是否更改过，所以就有了AtomicMarkableReference

第六章、共享模型之无锁（第一部分）本章内容问题提出CAS 与 volatile原子整数原子引用

AtomicMarkableReference

/**
 * @author sunfeng
 * @date 2021/04/14 14:04
 **/
public class GarbageBag {
    String desc;

    public GarbageBag(String desc) {
        this.desc = desc;
    }

    public void setDesc(String desc) {
        this.desc = desc;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return super.toString() + " " + desc;
    }
}

/**
 * @author sunfeng
 * @date 2021/04/14 14:05
 **/
@Slf4j(topic = "c.ABAAtomicMarkableReferenceTest")
public class ABAAtomicMarkableReferenceTest {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        GarbageBag bag = new GarbageBag("装满了垃圾");
        // 参数2 mark 可以看作一个标记，表示垃圾袋满了
        AtomicMarkableReference<GarbageBag> ref = new AtomicMarkableReference<>(bag, true);
        log.debug("主线程 start...");
        GarbageBag prev = ref.getReference();
        log.debug(prev.toString());
        new Thread(() -> {
            log.debug("打扫卫生的线程 start...");
            bag.setDesc("空垃圾袋");
            while (!ref.compareAndSet(bag, bag, true, false)) {
            }
            log.debug(bag.toString());
        }).start();
        Thread.sleep(1000);
        log.debug("主线程想换一只新垃圾袋？");
        boolean success = ref.compareAndSet(prev, new GarbageBag("空垃圾袋"), true, false);
        log.debug("换了么？" + success);
        log.debug(ref.getReference().toString());

    }
}

输出

14:06:28.918 c.ABAAtomicMarkableReferenceTest [main] - 主线程 start...
14:06:28.921 c.ABAAtomicMarkableReferenceTest [main] - com.sunfeng.n6.GarbageBag@1c2c22f3 装满了垃圾
14:06:28.964 c.ABAAtomicMarkableReferenceTest [Thread-0] - 打扫卫生的线程 start...
14:06:28.964 c.ABAAtomicMarkableReferenceTest [Thread-0] - com.sunfeng.n6.GarbageBag@1c2c22f3 空垃圾袋
14:06:29.964 c.ABAAtomicMarkableReferenceTest [main] - 主线程想换一只新垃圾袋？
14:06:29.964 c.ABAAtomicMarkableReferenceTest [main] - 换了么？false
14:06:29.964 c.ABAAtomicMarkableReferenceTest [main] - com.sunfeng.n6.GarbageBag@1c2c22f3 空垃圾袋

可以注释掉打扫卫生线程代码，再观察输出

14:10:26.373 c.ABAAtomicMarkableReferenceTest [main] - 主线程 start...
14:10:26.378 c.ABAAtomicMarkableReferenceTest [main] - com.sunfeng.n6.GarbageBag@1c2c22f3 装满了垃圾
14:10:27.379 c.ABAAtomicMarkableReferenceTest [main] - 主线程想换一只新垃圾袋？
14:10:27.379 c.ABAAtomicMarkableReferenceTest [main] - 换了么？true
14:10:27.379 c.ABAAtomicMarkableReferenceTest [main] - com.sunfeng.n6.GarbageBag@18e8568 空垃圾袋

第六章、共享模型之无锁（第一部分）本章内容问题提出CAS 与 volatile原子整数原子引用

本章内容

问题提出

为什么不安全

解决思路-锁

解决思路-无锁

CAS 与 volatile

volatile

为什么无锁效率高

CAS 的特点

原子整数

原子引用

线程不安全实现

使用锁实现

安全实现-使用CAS

ABA问题解决

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